고상반응법으로 세라믹 제조

1.     고상반응과 스피넬 구조

2.     고상반응법을 통해 스피넬 구조의 세라믹을 합성할 수 있다

3.     이론

 

[그림1] 홍콩 섬의 야경을 수놓는 빌딩숲

 

아시아 최대의 국제도시, 향기로운 향구라는 뜻을 가진 홍콩은 끊임없이 격동의 역사를 겪으면서 행정구역상 늘 어딘가의 일부였지만, 항상 자가발전을 해온 능력 있는 자들의 메카이다. 아시아의 맨해튼으로 불리는 홍콩에는 수많은 시멘트와 유리로 덮여 있는 빌딩숲을 볼 수가 있다. 그렇다면, 이러한 빌딩들을 구성하는 세라믹은 어떻게 만들 수 있을까?

이번 시간을 통해서 고상반응에 대해서 알아보려고 한다. 그러나 이를 효과적으로 이해하기 위해서는 일련의 개념에 대해서 알 필요가 있어 간략하게 훑어보려고 한다.

가소(Calcination)이란 고온으로 가열하여 휘발성분을 제거하는 것을 의미한다. 소결(Sintering)란 분말을 가압 성형한 것을 가열하여 단단하게 밀착하여 고결하는 현상을 말한다. 소성(Firing)란 가열하여 경화성 물질을 만드는 것을 의미한다.

 

[그림2] 고상반응의 모식도이다.

 

고체 내 혹은 고체 간에 일어나는 화학반응을 고상반응이라고 말한다. 고상반응은 불균일 반응으로 기상 및 액상 반응 같은 균일 반응에는 없는 특징을 가지고 있다. 고상반응을 간다히 표시한 것이 [그림2]이다. [그림2]를 참고하여, 고상에서는 반응이 한정된 장소에서만 일어난다. 미반응의 원료 자체는 반응 중 AO 혹은 BO2와 같이 출발상태의 순수물이며, 열역학적으로 말하면 활동량은 1이다. 반응의 진행에는 반응물이 생성물(ABO3)의 충을 통하여 상대방까지 이동하여 야만 하는데, 고상 내의 물질이동은 일반적으로는 힘들다. 따라서 반응의 물질이동 속도에 의해 율속이 된다.

[그림3] 고상 반응 진행의 모식도

 

[그림3]을 참고하여, 고상반응은 AO입자와 BO2입자와의 접촉점을 중심으로 일어난다. 입자 표면에 생성물 층이 만들어지고 그 두께는 반응시간과 함께 증가한다. (b)는 입자 간의 결합이 약하고 분쇄에 의해 용이하게 개별의 입자로 되지만 반응은 완결하여 있지 않고 중심부에는 미 반응 물질이 남아 있다.  (d)는 반응은 완결이 되었지만 입자끼리 의 소결이 뚜렷하다. 입성장 및 입자의 형태변화도 일어나고 있다.

다음은 대표적인 고상반응의 예시이다.

[그림4] 대표적인 고상반응의 반응식

[그림5] 이차전지 핵심 소재 양극에서 활용되는 고상반응을 나타낸 그림이다.

 

[그림4]를 제외하더라도 다양한 세라믹을 고상반응으로 합성 할 수 가 있는데, 이번시간을 통해서는 LIMn2O4에 대해서 이야기 해보려고 한다.

[그림6] 이상적인 스피넬 구조를 취하는 LiMn2o4의 구조

 

LiMn2O4는 2개의 양이온 과 1개의 음이온으로 구성된  세라믹이다.  이러한 구조를 스피넬 구조라고 하는데,  음이온이 FCC 구조를 이루고 양이온 이 각각 tetrahedral site와 octahedral site를 가진다. 이러한 스피넬 구조를 이루는 LiMn2O4는 광범위한 물리적 화학적 특성을 가진다. 높은 강도, 자기특성, 전기적 특성 , 높은 출력 , 안전성(safety) 그리고 안정성(stability)의 장점을 가지고 있다. 그리고 무엇보다도 공정 비용이 저렴해 가격경쟁력이 있다. 따라서 많이 만들수 있다. 그리고 동시에 싸게 만들수 있는데, 이를 가장 잘 활요하는 회사가 바로 BYD(비야디)이다. 

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[그림7] 실제 태국여행중 BYD 택시를 타본 경험이 있는데, 조용하고 탑승감도 좋았는데 가격에 또한 번 놀랐다.

 

[그림8]电动 汽车世界冠军 전기차세계1위 BYD의 배터리이다.

 

LiMn2O4 는 LFP의 핵심소재로써 널리 사용된다.

 

 

 

4. 출처

요시오 마사키, 리튬이온2차전지 재료와 응용 제2판, 다솜출판사, pp11~66

Zempachi Ogumi, 리튬이차전지, 도서 출판 아진, pp63-65 , 86~93

김기호, 세라믹 재료 합성, 원창 출판사, pp123~163