리튬 티타늄 산화물

리튬 티타늄 산화물(LTO; Li₄Ti₅O₁₂)은 리튬 티타네이트 배터리의 음극재로 핵심 구성 요소이며 화학적으로 합성된 백색 분말 형태로 제공된다. 리튬 이온 배터리의 일종인 리튬 티타네이트 배터리는 사용 가능한 가장 빠른 충전 배터리중 하나이며 양극, 음극 및 전해질로 구성된다.

이 화합물은 1,533°C의 높은 용해점을 가지고 있으며 다른 특성으로는 고순도 및 우수한 소결 능력이 있다. LTO는 배터리에 가장 많이 사용되지만 재료 연구 개발에도 사용할 수 있다. 예를 들어 고체 또는 다공성 물질을 형성하는 공정인 소결뿐만 아니라 용융 탄산염 연료 전지 및 도자기 에나멜 및 세라믹의 첨가제로 사용된다.

음극 소재로 주목 받는 이유

spinel Li4Ti5O12 결정 구조 (red: oxygen, blue: titanium, green: lithium).

최근에 spinel Li₄ti₅o₁₂(LTO) 소재는 고전력 리튬 이온 전지의 음극 소재로 적용이 가능하여 주목을 받고 있다. 이는 현재 일반적으로 사용되는 카본 음극소재와 다르게 LTO는 높은 작동 전압 (1.55~1.56V vs. Li/Li+)을 가지기 때문에 전해질의 환원 반응이 억제되고 리튬 금속(덴드라이트)이 증착 되지 않아서 안전하다. 특히, 리튬 이온의 intercalation/de-intercalation 반응 중에 삼차원적인 구조(오른쪽 그림)가 유지되고 부피 변화가 0.1% 이하로 우수한 사이클 특성을 나타낸다. 하지만 이러한 우수한 안정성 이면에 LTO는 전자 및 리튬 이온에 대한 낮은 전도성 때문에 출력 특성이 저조하다. 이를 극복하기 위해 최근 나노 사이즈의 LTO 소재 개발에 대한 많은 연구가 이루어지고 있는데 LTO 나노 입자에서 는 리튬 이온 확산 거리가 짧아져서 빠른 리튬확산이 가능하여 충/방전 속도 특성이 개선되기 때문이다.

일반적으로 LTO는 Ti과 Li 원료 물질을 균일하게 혼합한 다음에 고온 하소 온도(800~1,000℃)에서 고상 합성(solid-state synthesis)에 의해서 제조한다. 이 방법에서는 고온 열처리로인해 LTO 결정크기가 크고 불균일하게 성장하여 분말들이 뭉쳐지므로 전기화학적 특성이 크게 제한을 받는다. 따라서 현재 나노 LTO소재를 제조하는데 습식 합성(solution-based synthesis)이 폭넓게 이용되고 있다. 하지만 이러한 나노사이즈 LTO소재(나노분말, 나노선,나노 튜브 등) 또한 넓은 비표면적에 의해 tapdensity가 낮아지며, 낮은 결정성으로 인해 firstcycle coulombic efficiency (FCCE) 가 낮아지고, 나노 사이즈 LTO가 전극표면으로 분리되어 분리막의 fouling을 유발하거나, 반대전극으로 도달하여 용량감소를 일으키는 등의 문제를 일으킨다.

참고자료

• 〈차세대 리튬 이온 전지 음극 소재 리튬티타늄 산화물(microsphere Li4Ti5O12) 연구 현황〉, 《사이언스온》, 2017-07-30

• Goodfellow, 〈리튬 티타늄 산화([Lithium Titanium Oxide)정의와 용도〉, 《네이버블로그》, 2021-02-26

같이 보기

• 리튬
• 티타늄
• 산화물
• 리튬 티타네이트 배터리

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