Tin/graphite composites are prepared as anode materials for Li-ion batteries using a dry ball-milling process. The main experimental variables in this work are the ball milling time (0–8 h) and composition ratio (tin:graphite=5:95, 15:85, and 30:70 w/w) of graphite and tin powder. For comparison, a tin/graphite composite is prepared using wet ball milling. The morphology and structure of the different tin/graphite composites are investigated using X-ray diffraction, Raman spectroscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, and scanning and transmission electron microscopy. The electrochemical properties of the samples are also examined. The optimal dry ball milling time for the uniform mixing of graphite and tin is 6 h in a graphite-30wt.%Sn sample. The electrode prepared from the composite that is dry-ballmilled for 6 h exhibits the best cycle performance (discharge capacity after 50th cycle: 308 mAh/g and capacity retention: 46%). The discharge capacity after the 50th cycle is approximately 112 mAh/g, higher than that when the electrode is composed of only graphite (196 mAh/g after 50th cycle). This result indicates that it is possible to manufacture a tin/graphite composite anode material that can effectively buffer the volume change that occurs during cycling, even using a simple dry ball-milling process.

In this study, multilayered SnO nanoparticles are prepared using oleylamine as a surfactant at 165oC. The physical and chemical properties of the multilayered SnO nanoparticles are determined by transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Interestingly, when the multilayered SnO nanoparticles are heated at 400oC under argon for 2 h, they become more efficient anode materials, maintaining their morphology. Heat treatment of the multilayered SnO nanoparticles results in enhanced discharge capacities of up to 584 mAh/g in 70 cycles and cycle stability. These materials exhibit better coulombic efficiencies. Therefore, we believe that the heat treatment of multilayered SnO nanoparticles is a suitable approach to enable their application as anode materials for lithium-ion batteries.

고용량 배터리에 대한 요구가 증가에 따라 기존 음극재보다 높은 용량(3,860 mAh/g)과 낮은 전기화학적 전위(– 3.040 V)를 갖는 리튬 금속 기반 음극재에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 본 연구에서는 수열 합성을 통해 제작된 아나타제(anatase) 타입의 TiO2 나노 입자 기반한 PVdF-HFP/TiO2 복합체를 리튬 금속 음극의 계면 보호층으로 적용하였다. 결정구조 및 형상 분석을 통해 유/무기-리튬 나노복합체 박막의 형성을 확인하였다. 또한, 전지화학 테스트(사이클 테스트 및 전압 프로파일)를 통해 리튬 금속 음극의 전기화학 성능은 복합체 보호막이 TiO2 10 wt%, 코팅 두께 1.1 μm의 조건에서 가장 개선된 전기화학적 성능(콜롱 효율 유지: 77 사이클 동안 90% 이상) 발현을 확인하였다. 이를 통해, 처리하지 않은 리튬 전극 대비 본 보호층에 의한 리튬 금속 음극의 성능 안정화/개선 효과가 검증되었다.

The enhancement of heat transfer in cooling system of cylindrical lithium-ion battery pack is numerically investigated by installing fins on the cooling plate. Battery Design StudioⓇ software is used for modeling electro-chemical heat generation in the battery and the conjugated heat transfer is analyzed with the commercial package STAR-CCM+. The result shows that installing fins on the cooling plate increases the convective heat transfer on the surface and thus lowers the maximum temperature of the battery pack. As the length and thickness of the fins increase, heat transfer in the battery pack improves. Considering the geometry and airflow of the battery pack, the optimal values for the length and thickness of the fin are both 2mm. As the convective heat transfer coefficient of the surface increases, the maximum temperature of the battery pack is greatly reduced and the temperature gradient is greatly improved.

리튬 이온 배터리(LIB) 수요는 화석 연료에 대한 부담을 줄이기 위해 전 세계적으로 매년 증가하고 있다. LIB는 전기 자동차, 고정식 저장 시스템 및 기타 다양한 응용 분야에 사용된다. 리튬은 해수, 염수, 염호에서 구할 수 있으며 환경 친화적이고 저렴한 방법으로 추출하면 리튬 채굴의 부담을 크게 줄일 수 있다. 주로 나노여과(NF)와 같은 막 분리 공정은 용액에서 리튬 금속을 분리하는 효과적인 방법이다. 전기투석 및 전기 분해는 리튬 분리에 사용되는 다른 분리 공정이다. 역삼 투압(RO) 공정은 이미 해수 담수화를 위한 잘 정립된 방법이다. 따라서, 리튬 금속을 목적으로 사용되는 개질된 RO 분리막은 용액속에 존재하는 다른 금속 원소의 간섭에 의한 문제를 해결할 수 있는 좋은 대안 방법이다. 적합한 NF 막을 찾거나 개발하여 리튬을 선택적으로 제거하는 것은 도전적일 수 있지만 흥미로운 연구 영역이다. 이 총설에서는 나노여과, 전기투석, 전기분해 및 기타 공정을 이용한 리튬 회수에 대해 자세히 설명한다.

논문에서 리튬이온전지용 양극 소재의 개발 동향과 함께 앞으로 필요한 양극 소재의 연구 방향을 제시한다. 현재 리튬이온 전지는 지구 환경 개선을 위한 친환경 에너지로 주목받고 있으며, 전기차와 에너지저장 시스템 등에서의 다양한 활용으로 고용량 및 고안정성 소재 개발에 초점을 맞추어 연구가 진행되고 있다. 특히, 리튬이온전지 양극 소재의 경우 전지의 가격 및 성능을 결정하기 때문에 활발한 연구가 이루어지며, 그중 높은 이론 용량을 가지는 Ni-rich 계 layered 구조의 양극 소재에 대한 연구가 집중되고 있다. 그러나, 고용량 특성을 달성하기 위한 Ni-rich 계 양극 소재는 높은 Ni 조성에 의해 비용량이 증가함에 따라 전기화학적 불안정성 또한 증가하는 문제를 가지기 때문에 활용에 한계를 가진다. 이를 해결하기 위한 방법으로 본 논문에서는 양극 소재의 표면 개질 방법 과 원소치환 방법에 대해 언급하며, 이에 진일보하여 리튬이온전지의 가격 경쟁력을 확보하기 위한 양극 소재의 연구 방향을 제안한다.

The effect of flow direction on heat transfer in water cooling channel of lithium-ion battery is numerically investigated. Battery Design StudioⓇ software is used for modeling electro-chemical heat generation in the battery and the conjugated heat transfer is analyzed with the commercial package STAR-CCM+. The result shows that the maximum temperature and temperature difference of battery with Type 1 are the lowest because the heat transfer in the entrance region near the electrode is enhanced. As the inlet velocity is increased, the maximum temperature and temperature difference of battery decreases but the pressure loss increases. The pressure loss in Type 2 channel is the lowest due to the shortest channel length, while the pressure loss with Type 3 or 4 channel is the highest because of the longest channel length. Considering heat transfer performance and pressure loss, Type 1 is the best cooling channel.

리튬 이온 전지의 양극과 음극 사이에 물리적인 층을 만들어주는 분리막은 분리막의 품질에 따라 리튬 이온 전지의 성능을 결정함에 따라 많은 관심을 받고 있다. 일반적으로 전기화학적 안정성과 적절한 역학적 강도를 갖고 있는 폴리에 틸렌과 폴리프로필렌으로 구성된 다공성 막이 리튬 이온 전지의 분리막으로 사용된다. 하지만 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 낮은 열 저항성과 젖음성으로 인해 리튬 이온 전지의 잠재력을 충분히 끌어내지 못한다. 녹는점 이상의 온도에 도달하게 되면 분리막의 구조가 변형되고 리튬 이온 전지는 단락된다. 분리막의 낮은 젖음성은 낮은 이온전도도와 부합하고, 이는 전지의 저항을 상승시킨다. 이러한 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 분리막의 단점을 극복하고자 이중 전기방사방법, 코팅 층 도포 방법, 코어 셸 구조 형성 방법, 제지법 등 여러 가지 방법들이 연구되었다. 언급된 방법들로 합성된 분리막들은 열 저항성과 젖음성이 크게 향상되었고 유연성과 인장 강도 같은 역학적 특성도 향상되었다. 본 리뷰 논문에는 각기 다른 방법으로 형성된 리튬 이온 전지의 분리막에 대해서 다루고 있다.

The improvement of heat transfer in water cooling passage of lithium-ion battery is numerically studied by employing trapezoidal vortex generators. Battery Design StudioⓇ software is used for modeling electro-chemical heat generation in the battery. The conjugated heat transfer is analyzed with the commercial package STAR-CCM+ in terms of inlet flow velocities. The result shows that vortex generator enhances the convective heat transfer by developing thermal boundary layers and secondary flows in downstream, which results in reducing the average temperature of the battery by about 1℃. The heat transfer is enhanced for the whole inlet velocity, while the pressure loss sharply increases at more than inlet velocity of 0.1m/s. The optimum inlet velocity is around 0.1m/s for in terms of the heat transfer and pressure loss.

리튬금속전지(LMB)는 매우 큰 이론 용량을 갖지만 단락(short circuit), 수명 감소 등을 야기하는 덴드라이트(dendrite) 가 형성되는 큰 문제점을 갖고 있다. 본 연구에서는 poly(dimethylsiloxane) (PDMS)에 graphene oxide (GO) nanosheet를 고르게 분산시킨 PDMS/GO 복합체를 합성하였고 이를 박막 형태로 코팅하여 덴드라이트의 형성을 물리적으로 억제할 수 있는 막의 효과를 이끌어내었다. PDMS의 경우, 그 자체로는 이온 전도체가 아니기 때문에 리튬 이온의 통로를 형성시켜 리튬 이온의 이동을 원활하게 하기 위하여 5wt% 불산(HF)으로 에칭하여 PDMS/GO 박막이 이온전도성을 가질 수 있도록 하였다. 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 통해 전면 및 단면을 관찰하여 PDMS/GO 박막의 형상을 확인하였다. 그리고 PDMS/GO 박막을 리튬금속전지에 적용하여 실시한 배터리 테스트 결과, 100번째 사이클까지 쿨롱 효율(columbic efficiency) 이 평균 87.4%로 유지되었고, 박막이 코팅되지 않은 구리 전극보다 과전압이 감소되었음을 전압 구배(voltage profile) 를 통해 확인하였다.

리튬 덴드라이트의 효과적인 억제를 위해 유/무기 복합체를 리튬메탈 전극의 보호층으로 사용하였다. 유기물로는 PVDF-HFP가 사용되었으며 무기물로는 TiO2가 사용되었다. 유기물로 사용된 PVDF-HFP는 높은 유연성을 가지는 고분자로서 무기물의 matrix 역할을 하며, 무기물로 사용된 TiO2 나노입자는 보호막의 기계적 강도와 이온전도성을 향상시켜주는 역할을 하였다. 합성된 보호막은 SEM, AFM, XRD를 통하여 PVDF-HFP matrix에 TiO2가 잘 분산되어 있는 형태인 것을 확인할 수 있 었다. 또한 전기화학적 분석 결과, 향상된 기계적 물성과 이온전도성으로 인해 polymer-inorganic composite은 비교 샘플(untreated 와 PVDF-HFP 보호층) 대비 100번째 사이클까지 80%의 높은 쿨롱 효율 및 20 mV 미만의 낮은 과전압을 나타내었다.

본 논문에서는 접착영역 모델을 이용하여 2상 리튬이온 충전 시 실리콘 음극 전극의 균열진전 해석을 수행하였다. 리튬화 실리콘은 결정질 실리콘에 비해 부피가 약 3배 이상 크므로 리튬이온 충전 시 외각의 리튬화 실리콘에 매우 큰 압축력이 작용하여 압축항복이 발생한다. 리튬이온 충전 시 외각의 리튬화 실리콘은 압축항복 후에 내부의 결정질 실리콘이 리튬화 실리콘으로 상 변이하면서 발생하는 부피 팽창으로 인해 인장력이 작용한다. 이러한 인장력으로 인해 발생하는 균열진전을 접착영역 모델을 이용하여 모사하였다. 사용한 접착영역 모델은 PPR 포텐셜 기반 접착영역 모델로 하나의 포텐셜을 사용하여 복합모드에 대해서도 에너지 소산에 일관성을 지니고 있다. 유한요소 수치해석 모델로 2상 리튬이온 충전 시 모서리 균열진전을 모사한 결과가 실제 실험결과와 일치함을 확인하였고, 균열 팁에서의 최대 인장응력의 각도를 분석하여 실제 실험처럼 균열진전 방향이 회전할 것을 예측할 수 있었다.

High performance lithium-ion batteries (LIBs) have attracted considerable attention as essential energy sources for high-technology electrical devices such as electrical vehicles, unmanned drones, uninterruptible power supply, and artificial intelligence robots because of their high energy density (150-250 Wh/kg), long lifetime (> 500 cycles), low toxicity, and low memory effects. Of the high-performance LIB components, cathode materials have a significant effect on the capacity, lifetime, energy density, power density, and operating conditions of high-performance LIBs. This is because cathode materials have limitations with respect to a lower specific capacity and cycling stability as compared to anode materials. In addition, cathode materials present difficulties when used with LIBs in electric vehicles because of their poor rate performance. Therefore, this study summarizes the structural and electrochemical properties of cathode materials for LIBs used in electric vehicles. In addition, we consider unique strategies to improve their structural and electrochemical properties.

Layered LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2 cathode materials single- and dual-doped by the rare-earth elements Ce and Nd are successfully fabricated by using a coprecipitation-assisted solid-phase method. For comparison purposes, nondoping pristine LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2 cathode material is also prepared using the same method. The crystal structure, morphology, and electrochemical performances are characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS) mapping, and electrochemical techniques. The XRD data demonstrates that all prepared samples maintain a typical α-NaFeO2-layered structure with the R-3m space group, and that the doped samples with Ce and/or Nd have lower cation mixing than that of pristine samples without doping. The results of SEM and EDS show that doped elements are uniformly distributed in all samples. The electrochemical performances of all doped samples are better than those of pristine samples without doping. In addition, the Ce/Nd dualdoped cathode material shows the best cycling performance and the least capacity loss. At a 10 C-rate, the electrodes of Ce/Nd dual-doped cathode material exhibit good capacity retention of 72.7, 58.5, and 45.2% after 100, 200, and 300 cycles, respectively, compared to those of pristine samples without doping (24.4, 11.1, and 8.0%).

Using a high pressure homonizer, we report on the electrochemical performance of Li4Ti5O12(LTO) particles manufactured as anode active material for lithium ion battery. High-pressure synthesis processing is performed under conditions in which the mole fraction of Li/Ti is 0.9, the synthesis pressure is 2,000 bar and the numbers of passings-through are 5, 7 and 10. The observed X-ray diffraction patterns show that pure LTO is manufactured when the number of passings-through is 10. It is found from scanning electron microscopy analysis that the average size of synthesized particles decreases as the number of passings-through increases. LiCoO2-based active cathode materials are used to fabricate several coin half/full cells and their battery characteristics such as lifetime, rate capability and charge transfer resistance are then estimated, revealing quite good electrochemical performance of the LTO particles as an effective anode active material for lithium secondary batteries.