리튬인산철(LFP)-흑연(Gr) 전지는 안전성과 긴 수명으로 대규모 에너지 저장 장치에 널리 사용됩니다. 그러나 고체 전해질 계면(SEI) 형성 시 발생하는 비가역적인 리튬 소모는 초기 용량 손실을 야기하고 전지의 사이클 안정성을 저해합니다. 리튬 과잉 페라이트(Li5FeO4, LFO)는 리튬 손실을 보상하는 유망한 첨가제이지만, 낮은 대기 안정성과 습기에 대한 민감성으로 인해 실제 적용에 어려움이 있었습니다.
본 연구에서는 LFO 입자 표면에 나노 규모의 보호층을 형성하는 TiO2 계면 코팅 전략을 도입하여 LFO의 안정성을 확보했습니다. TiO2 코팅은 LFO의 역형석 구조를 보존하면서 표면 열화를 억제하고 전극 공정 호환성을 향상시켰습니다. 최적화된 1.5% TiO2@LFO는 2시간 동안 대기 노출 후에도 구조적 무결성을 유지했으며, 슬러리 겔화를 효과적으로 완화했습니다.
LFP-Gr 전지에서 TiO2@LFO는 3.5–4.0 V에서 비가역적인 탈리튬 플랫폼을 제공하여 SEI 관련 리튬 소모를 보상하고 초기 방전 용량을 160 mAh g−1에서 175 mAh g−1으로 증가시켰습니다. 또한, TiO2@LFO는 1C에서 500 사이클 이상 안정적인 수명을 가능하게 했으며, 파우치형 전지는 2000 사이클 후에도 60%의 용량 유지율을 달성하며 LED 램프를 구동할 수 있었습니다.
이 연구는 대기 안정적인 LFO 선리튬화 첨가제 개발을 위한 효과적인 계면 공학 접근법을 제시하며, 고에너지 밀도 리튬 이온 전지의 실용화에 기여할 것입니다.
폐리튬이온배터리(LIB)의 직접 재생은 높은 원소 회수율과 낮은 에너지 소비로 차세대 재활용 전략으로 주목받고 있습니다. 그러나 5~8년 전 원 설계의 한계로 인해 폐 LiCoO2(LCO)의 단순 회수만으로는 현대 에너지 저장 시스템에 적합한 전기화학적 특성을 유도하기 어렵습니다. 또한, 기존 O3 상을 가진 상용 LCO는 본질적으로 고전압 안정성이 부족하다는 단점이 있습니다.
본 연구에서는 폐 LCO의 성능 저하 특성을 업사이클링 발판으로 활용하여, 격자 재구성과 이온 교환 유도 상 변환을 통해 O2-O3 상간 성장 구조를 가진 새로운 LCO로 성공적으로 재생했습니다. O2 상 함량은 SLCO의 리튬 결핍 수준을 조절하여 정밀하게 제어되었습니다. 얽힌 격자 전위의 도움으로 O2 및 O3 상이 일관되게 맞물려 격자 팽창과 산소 방출을 효과적으로 완화했습니다.
최적화된 재료는 0.1C에서 223.3 mAh g-1의 용량을 제공하며, 1.0C에서 100회 사이클 후 90.6%의 용량을 유지하여 상용 LCO를 능가하는 성능을 보였습니다. 또한, 변형된 전해질을 사용하여 5C에서 500회 사이클 후 73.6%의 용량 유지율을 달성했습니다. 이는 O2-O3 상간 성장 LCO의 이점을 강조하며 고성능 양극을 향한 유망한 업사이클링 경로를 제시합니다.
리튬이온 배터리의 전기화학적 열화 메커니즘은 잘 알려져 있으나, 기계적 요인의 영향은 충분히 이해되지 않고 있습니다. 본 연구는 전극 팽창과 무관하게 전극에 균일하고 일정한 스택 압력을 가하는 고정밀 스택 압력 제어 및 딜라토미터 도구를 도입했습니다.
일반적인 초기 스택 압력보다 4배 높은 압력을 가하여, 산업적으로 중요한 흑연 ‖ LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 셀의 수명을 두 배로 늘렸습니다. 이는 활물질이나 전해액을 변경하지 않고 얻은 결과입니다. 이 발견은 많은 리튬이온 배터리가 최적 이하의 스택 압력 조건에서 작동하여 수명이 단축될 수 있음을 시사합니다.
최적 압력 범위를 벗어날 경우 다양한 열화 메커니즘이 나타남을 확인했습니다. 낮은 스택 압력은 양극 균열을 가속화하는 반면, 높은 압력은 리튬 석출을 촉진합니다.
본 연구는 기계-전기화학적 연동 열화 메커니즘을 밝혀내고, 스택 압력 최적화가 사이클 안정성을 높이는 실용적인 해결책임을 제시합니다.
