리튬니켈망간코발트산화물

Lithium nickel manganese cobalt oxides

리튬 니켈망간 코발트산화물(Li-NMC, LNMC, NMC 또는 NCM)은 리튬, 니켈, 망간, 코발트의 혼합 금속 산화물이다. 그들은 일반적인 공식 LiNiMnCoO를xyz2 가지고 있다. 가장 중요한 대표자는 x + y + z에 가까운 구성으로 전환 금속 부지에 소량의 리튬이 있다. 상업용 NMC 표본에서 구성물은 일반적으로 5% 초과 리튬을 함유하고 있다.[1][2] 이 소분류의 구조물질은 리튬코발트(III)산화물(LiCoO2)과 밀접하게 연관되어 있으며 층층 구조물이 있으나 1:1 정전기계측에서 Mn(IV), Co(III), Ni(III)의 이상적인 전하분포를 가지고 있다. 니켈 함량이 더 많은 구성의 경우, 니켈은 전하 균형을 위해 더 산화된 상태에 있다. NMC는 리튬 이온 배터리에서 리튬 이온에 가장 중요한 저장 물질이다. 그것들은 방출 중 음극 역할을 하는 긍정적인 면에 사용된다.

역사

스토오치메트릭 NMC 음극은 최종 부재, LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2 사이의 고체 용액에서 점으로 표현된다. 그들은 역사적으로 존 B에서 유래되었다. 구데노우즈 1980년대에는 리코오2, 오즈쿠 쓰토모의 리(NiMn)O에2 관한 연구, 나페오형2 소재에 관한 관련 연구 등이 연구되고 있다.[3][4] 기압 NMC와 관련하여 리튬이 풍부한 NMC 재료는 1998년에 처음 보고되었으며 구조적으로는 리튬코발트(III) 산화물(LiCoO2)과 유사하지만, 소재에서 LiMnO와 유사한23 나노단위의 시리즈로 발현되는 리튬 Li/NMC > 1.0을 초과하여 안정화되었다. 이 음극들은 C. S. 존슨, J. T. 바우히, M. Tackeray, T. E. Bofinger, S. A. Hackney에 의해 처음 보고되었다.[5] 두 종류의 NMC 음극에는 모든 전이 금속 양이 3가 아닌 망간을 산화시키고 니켈 양이온을 감소시키는 공식적인 내부 전하 전달이 있다. 충전에 사용되는 공식 니켈(II)의 두 전자 산화 작용은 이러한 NMC 음극 물질의 대용량에 기여한다. 2001년에 Arumugam Manthiram은 이러한 레이어드 산화물 음극에 대한 대용량을 생성하는 메커니즘이 산소 2p 대역의 상단을 기준으로 금속 3d 밴드의 상대적 위치를 바탕으로 이해할 수 있는 전환에서 비롯된다고 가정했다.[6][7][8] 이러한 관찰은 4.4V(vs Li) 이상의 NMC 음극의 대용량을 설명하는데 도움이 된다. 관측 용량 중 일부는 양이온 산화보다 산화 격자의 산화에서 발생하는 것으로 확인되었다.

2001년 크리스토퍼 존슨, 마이클 태커레이, 칼릴 아민, 김재국 등이 LiMnO23 유도 도메인 구조를 바탕으로 리튬 니켈망간코발트산화물(NMC) 리튬 리치 음극 특허를[9][10] 출원했다. 2001년, 중화 루와 제프 단은 최종 멤버들 간의 견고한 솔루션 개념을 바탕으로 NMC 등급의 양극 전극 재료에 대한 특허를[11] 출원했다.

금속비

몇 가지 서로 다른 수준의 니켈이 상업적으로 흥미롭다. 세 금속 사이의 비율은 세 개의 숫자로 표시된다. 예를 들어 LiNi MnCoO는0.333 0.3332 NMC111 또는 NMC333, LiNiMnCoO는0.50.30.22 NMC532(또는 NCM523), LiNiMnCoO는0.60.20.22 NMC622, LiNiMnCoO는0.80.10.12 NMC811로 약칭된다. 코발트 소싱의 잠재적 이슈로 볼 때, 이것이 열 안정성을 떨어뜨리더라도 니켈의 수준을 높이는 것에 관심이 있다.[12]

NMC111에는 탄산리튬이나 수산화리튬을 사용할 수 있지만 합성온도가 낮아 성능저하로 연결된 리튬/니켈 부지 교환을 완화할 수 있어 수산화리튬이 NMC811을 만들어야 한다.[13]

NMC 전극 사용

아우디 e트론 스포트백

NMC 배터리는 대부분의 전기 자동차에서 발견된다. NMC 배터리는 2011/2011년에 BMW ActiveE에 설치되었고, 2013년부터는 BMW i8에 설치되었다.[14] Electric cars with NMC batteries include, as of 2020: Audi e-tron GE, BAIC EU5 R550, BMW i3, BYD Yuan EV535, Chevrolet Bolt, Hyundai Kona Electric, Jaguar I-Pace, Jiangling Motors JMC E200L, NIO ES6, Nissan Leaf S Plus, Renault ZOE, Roewe Ei5, VW e-Golf and VW ID.3.[15] 트랙션 배터리에 NMC를 사용하지 않는 전기 자동차 제조업체는 일부에 불과하다. 테슬라가 자사 차량에 NCA 배터리를 사용하기 때문에 가장 중요한 예외는 테슬라다. 다만 가정용 스토리지 테슬라 파워월은 NMC를 기반으로 한다고 한다[according to whom?].[16]

재규어 아이페이스

NMC는 휴대폰/스마트폰과 같은 모바일 전자제품, 대부분의 페델렉[17] 배터리의 노트북에도 사용된다.[18] 이러한 응용을 위해, 리튬 코발트 산화물 LCO가 장착된 배터리는 2008년에도 거의 독점적으로 사용되었다.[19] NMC 배터리의 또 다른 적용 분야는 배터리 저장 발전소다. 예를 들어 우리나라는 2016년 주파수 조절을 위해 NMC를 탑재한 저장장치 2개를 설치했는데 하나는 16MW 용량, 하나는 6MWh 에너지, 하나는 24MWh, 하나는 9MWh로 설치했고, 2017/2018년에는 30MW 용량,[21][22] 11MWh 용량의 배터리가 호주 서부 오스트레일리아 뉴먼에 설치·위탁되었다.[20]

NMC 전극의 특성

NMC를 사용하는 리튬 이온 배터리의 셀 전압은 3.6–3.7 V이다.[23] 만티람은 이러한 층을 이루는 산화 음극의 용량 한계는 산소 2p 대역의 상단을 기준으로 금속 3d 밴드의 상대적 위치를 바탕으로 이해할 수 있는 화학적 불안정성의 결과라는 것을 발견했다.[24][25][26] 이 발견은 리튬 이온 배터리의 실제 접근 가능한 구성 공간과 안전의 관점에서 안정성에 중요한 영향을 미쳤다.

참조

  1. ^ Julien, Christian; Monger, Alain; Zaghib, Karim; Groult, Henri (July 2016). "Optimization of Layered Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries". Materials (Basel). 9 (7): 595. Bibcode:2016Mate....9..595J. doi:10.3390/ma9070595. PMC 5456936. PMID 28773717.
  2. ^ Li, Xuemen; Colclasure, Andrew; Finegan, Donal; Ren, Dongsheng; Shi, Ying; Feng, Xuning; Cao, Lei; Yang, Yuan; Smith, Kandler (February 2019). "Degradation Mechanisms of High Capacity 18650 Cells Containing Si-Graphite Anode and Nickel-Rich NMC Cathode". Electrochimica Acta. 297: 1109–1120. doi:10.1016/j.electacta.2018.11.194. OSTI 1491439. S2CID 104299816.
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