KR20040042749A - Porous Polymer-Coated Gelling Separators and Electrochemical Cells Using the Same - Google Patents

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KR20040042749A
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김동원
민효식
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한밭대학교
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Abstract

PURPOSE: A gelled separator and an electrochemical cell using the separator are provided, to improve ion conductivity, electrochemical stability, mechanical properties, electrolyte solution maintenance and adhesive strength to an electrode. CONSTITUTION: The gelled separator is prepared by coating a porous polymer which can be gelled by an electrolyte solution, on at least one surface of a separator porously. Preferably the porous polymer is at least one selected from the group consisting of polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, poly(methyl methacrylate), polystyrene, poly(vinyl pyrrolidone), poly(vinyl chloride) and polybutadiene. The polymer used as a separator is at least one selected from the group consisting of an olefin-based resin such as polyethylene and polypropylene, a fluoride-based resin such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene, an ester-based resin such as polyethylene terephthalate, and cellulose-based nonwoven.

Description

다공성 고분자가 코팅된 겔화 세퍼레이터 및 이들을 이용한 전기화학셀{Porous Polymer-Coated Gelling Separators and Electrochemical Cells Using the Same}Porous Polymer-Coated Gelling Separators and Electrochemical Cells Using the Same}

본 발명의 목적은 액체전해질을 사용하는 이차전지에서 발생하는 전해액의 누액과 안전성 문제, 겔 고분자 전해질을 사용하는 폴리머전지에서 발생하는 겔 고분자 전해질의 취약한 물성을 해결하기 위한 것이다. 구체적으로는 폴리올레핀 분리막을 지지체로 사용하여 물리적으로 겔화 가능한 고분자를 다공질로 코팅하였는데, 이 때 분리막에 코팅되는 고분자로 전해액에 대해 보액특성이 뛰어나면서 용해되지 않고, 겔화시 접착성이 발현되는 물질을 사용함으로써, 전지조립 후 전해액 누액을 방지하고 안전성을 향상시키며, 전극/분리막 일체화에 따른 싸이클 수명과 장기 안정성을 향상시킨, 다공성 겔화 세퍼레이터 및 이들을 이용한 전기화학셀을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to solve the leakage and safety problems of the electrolyte solution generated in the secondary battery using the liquid electrolyte, the weak physical properties of the gel polymer electrolyte generated in the polymer battery using the gel polymer electrolyte. Specifically, a polyolefin membrane was used as a support to coat a polymer that can be physically gelled with a porous material. At this time, a polymer coated on the membrane is a polymer that is excellent in liquid retention property and does not dissolve in the electrolyte solution and exhibits adhesiveness when gelled. The present invention provides a porous gelation separator and an electrochemical cell using the same, which prevent electrolyte leakage after battery assembly, improve safety, and improve cycle life and long-term stability due to electrode / separation membrane integration.

이차전지는 미래 정보화 산업의 3대 핵심 부품으로서 반도체, 디스플레이와 함께 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 이는 21세기 인류의 생활과 밀접한 미래형 전자기기의 휴대화, 고성능화, 경박단소화를 위해서 에너지원인 이차전지가 필수적이기 때문이다. 이차전지는 음극, 양극 및 전해질로 구성된다. 전지의 분류에 있어 전극의 산화·환원 반응의 가역성 여부에 따라 일차 및 이차전지로 구분하며, 전해질에 따라 고체 및 액체전지, 외관의 형태에 따라 원통형, 각형, 코인형 등으로 분류할 수 있다. 현재 사용되고 있는 이차전지에는 납축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬전지 등이 있는데, 소형 전자기기에서는 점차 리튬이차전지로 바뀌고 있는 경향이다. 현재 휴대용 기기에 사용되는 리튬이차전지의 대부분은 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지이다. 리튬폴리머전지는 고체 또는 겔상의 고분자 전해질을 사용함으로써, 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지의 단점인 누액 가능성과 폭발 위험성을 제거한 것이 큰 장점이다, 또한 고분자 전해질을 사용하고 있어 다양한 형태의 전지 설계가 가능하고 메모리 효과도 없어 리튬이온전지의 뒤를 이을 차세대 전지로 각광받고 있다. 이런 추세에 따라 리튬폴리머전지의 재료 및 제조공정에 대한 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있다. 지금까지 많은 발명자에 의해 상온에서 우수한 전도 특성을 갖는 겔 고분자 전해질의 개발이 이루어지고 있는데, 이들 겔 고분자 전해질은 많은 양의 액체 전해액을 고분자 매트릭스에 첨가하여 제조한 것이다. 고분자 매트릭스로 사용되는 고분자의 대표적인 예를 들면 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리염화비닐 등이 있다. 그러나 리튬폴리머전지의 전해질로 겔 고분자 전해질을 사용하는 경우에는, 매트릭스 고분자에 다량의 유기전해액이 첨가되어 기계적 물성이 취약해지므로 내부단락의 가능성이 있고, 성형을 하기 위한 필름 두께가 두꺼워져 고율에서 전지 특성이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 또한 겔 고분자 전해질 제조 과정에서 유기 전해액이 휘발되어 전해액 함량을 정확이 조절하는데 많은 어려움이 있다.Secondary batteries are the three key components of the future information industry, and their demands are exploding along with semiconductors and displays. This is because secondary batteries, which are energy sources, are essential for the portability, high performance, and light and small size of future electronic devices closely related to human life in the 21st century. The secondary battery is composed of a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte. In the classification of the battery, it is classified into primary and secondary batteries according to the reversibility of the oxidation / reduction reaction of the electrode, and may be classified into a solid, a liquid battery, and a cylindrical, square, coin type, etc. according to the appearance of the electrolyte. Currently used secondary batteries include lead acid batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, lithium batteries, etc., which are gradually changing to lithium secondary batteries in small electronic devices. Most of the lithium secondary batteries currently used in portable devices are lithium ion batteries using a liquid electrolyte. Lithium polymer battery has the advantage of eliminating the possibility of leakage and explosion risk, which is a disadvantage of lithium ion battery using liquid electrolyte, by using solid or gel polymer electrolyte, and also using polymer electrolyte. It is possible and does not have a memory effect, so it is attracting attention as the next generation battery that will succeed the lithium ion battery. In accordance with this trend, research and development of materials and manufacturing processes of lithium polymer batteries are being actively conducted. Until now, many inventors have developed gel polymer electrolytes having excellent conductivity at room temperature. These gel polymer electrolytes are prepared by adding a large amount of liquid electrolyte to a polymer matrix. Representative examples of the polymer used as the polymer matrix include polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, and the like. However, in the case of using a gel polymer electrolyte as an electrolyte of a lithium polymer battery, since a large amount of organic electrolyte is added to the matrix polymer and the mechanical properties become weak, there is a possibility of internal short-circuit, and the film thickness for molding is thickened, so that at a high rate. There is a disadvantage that the battery characteristics are sharply dropped. In addition, the organic electrolyte is volatilized during the preparation of the gel polymer electrolyte, thereby making it difficult to accurately adjust the electrolyte content.

상기에서 지적하였던 제반 문제점을 해결하기 위한 수단으로 다공성막을 지지체로 이용하는 겔 고분자전해질을 제조하는 발명이 다수 발표되었다. 미국의 모토로라사는 다공성 막을 지지체로 사용하는 분야에 있어 다수의 특허들을 출원하였는데, 대표적인 것이 미국특허 제 5,681,357 호이다, Celgard로 잘 알려진 폴리에틸렌 다공막을 폴리(비닐리덴플루오라이드) 용액으로 코팅 및 건조하여 셀을 제조한후, 전해액을 주입하고, 고온에서 겔화시켜 리튬이차전지를 제조하는 방법이 제시되어 있다. 또한 소니사가 출원한 일본 특개평 10-162802에는 절연성 다공질막에 폴리아크릴로니트릴 등의 겔 고분자 전해질을 도포 또는 함침시켜 제조되는 세퍼레이터에 관한 발명이 실려있다. 이와같이 겔 고분자전해질의 공정성을 향상시키기 위하여 다공성막을 지지체로 이용하려는 많은 연구개발이 진행되어왔지만, 상기 발명을 포함한 대부분의 발명에서 다공막에 코팅되는 고분자가 전해액과 상용성이 떨어지므로 고온에서 코팅된 고분자를 겔화화는 공정이 필수적으로 포함되어야 하며, 또한 이들을 이용하여 전지를 제조하는 경우 전지로부터 전해액 누액 및 안전성의 문제는 항상 내재하고 있다. 따라서 상기와 같은 제반 문제점을 해결하고, 전지 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 물질의 개발이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.As a means for solving the above-mentioned problems, a number of inventions for preparing a gel polymer electrolyte using a porous membrane as a support have been published. Motorola of the United States has applied for a number of patents in the field of using a porous membrane as a support, a typical US Patent No. 5,681,357, a polyethylene porous membrane known as Celgard by coating and drying a poly (vinylidene fluoride) solution in the cell After the preparation, an electrolyte solution is injected, and a method of producing a lithium secondary battery by gelling at a high temperature is provided. In addition, Japanese Patent Application Laid-open No. Hei 10-162802 filed by Sony, discloses a separator produced by applying or impregnating a gel polymer electrolyte such as polyacrylonitrile to an insulating porous membrane. In order to improve the processability of the gel polymer electrolyte as described above, many researches and developments have been conducted to use a porous membrane as a support, but in most inventions including the above invention, the polymer coated on the porous membrane is incompatible with the electrolyte solution, so that the coating is performed at high temperature. The process of gelling the polymer is essential, and also, the problems of electrolyte leakage and safety from the battery are always inherent when the battery is manufactured using them. Therefore, there is an urgent need for the development of new materials that can solve the above problems and improve battery performance.

본 발명은 액체전해질을 사용하는 이차전지에서 발생하는 전해액의 누액과 안전성을 개선하기 위한 것이며, 폴리머전지 관점에서는 겔 고분자 전해질의 취약한 물성을 해결하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 다공성 폴리에틸렌 분리막에 겔화 가능한 고분자를 분리막 양면에 다공질로 코팅하였는데, 이 때 분리막에 코팅되는 고분자로 전해액에 대해 보액특성이 뛰어나고, 전해액에 의한 물리적 겔화에 의해 접착성이 발현되는 고분자 물질을 사용함으로써 전해액 누액을 방지하고 전극/전해질의 일체화를 도모하고자 하였다. 본 발명을 통하여 개발한 겔화 세퍼레이터를 리튬이차전지에 적용하는 경우, 전해액 후주입이 가능하여, 적층 또는 권취 형태의 전지제조가 모두 가능하며, 다공질로 코팅된 고분자가 전해액과의 상용성이 뛰어나 전해액 누액이 없고, 전극/전해질 일체화에 따라 싸이클 특성이 우수한 리튬이차전지를 제조할 수 있다.The present invention is to improve the leakage and safety of the electrolyte generated in the secondary battery using a liquid electrolyte, and to solve the weak physical properties of the gel polymer electrolyte from the polymer battery point of view. To this end, in the present invention, the gelable polymer in the porous polyethylene separator is coated with porous on both sides of the separator. At this time, the polymer coated on the separator is excellent in liquid retention property with respect to the electrolyte, and the polymer is expressed by physical gelation by the electrolyte. By using the material, it was intended to prevent electrolyte leakage and to integrate the electrode / electrolyte. When the gelling separator developed by the present invention is applied to a lithium secondary battery, post-injection of the electrolyte solution is possible, so that the battery can be manufactured in a laminated or wound form, and the porous coated polymer has excellent compatibility with the electrolyte solution. A lithium secondary battery having no leakage and excellent in cycle characteristics can be manufactured by electrode / electrolyte integration.

도 1은 본 발명에 의한 다공성 고분자가 코팅된 겔화 세퍼레이터의 표면을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.1 is a photograph of the surface of the gelling separator coated with a porous polymer according to the present invention observed with an electron microscope.

도 2는 본 발명에 의한 다공성 고분자가 코팅된 겔화 세퍼레이터를 전해액을 이용하여 겔화시킨 후, 선형주사전위법으로 측정된 전류-전압 곡선을 나타내는 도면이다.2 is a graph showing a current-voltage curve measured by a linear scanning potential method after gelling a gelling separator coated with a porous polymer according to the present invention using an electrolyte solution.

도 3은 본 발명에 의해 제조된 리튬이차전지의 전압범위 2.8 ∼ 4.2 V, 0.2C의 일정전류에서 충방전하여 얻은 싸이클 수에 따른 방전용량을 나타낸 도면이다.3 is a view showing the discharge capacity according to the number of cycles obtained by charging and discharging at a constant current of the voltage range of 2.8 to 4.2 V, 0.2C of the lithium secondary battery manufactured by the present invention.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 리튬이차전지의 방전전류 변화에 따른 방전곡선의 변화를 나타내는 도면이다.4 is a view showing a change in the discharge curve of the discharge current of the lithium secondary battery manufactured by the present invention.

본 발명은 전해액과 친화성이 우수한 고분자 물질을 분리막 양면에 다공질로 코팅한 후, 전해액을 후주입함으로써 상온에서도 쉽게 겔화가 진행되어, 주입되는 전해액의 누액방지 및 전극과의 접착성을 부여할 수 있는 겔화 세퍼레이터를 제공하는 것이다. 이 때 전해액 후주입시 전해액의 빠른 흡수와 겔화 공정을 위하여, 코팅되는 고분자를 미세한 기공을 갖는 다공질 막으로 제조하는 것을 특징으로 하고 있다.According to the present invention, after coating a polymer material having excellent affinity with electrolyte on both sides of the separator with a porous material, the gelation proceeds easily even at room temperature by post-injecting the electrolyte solution, thereby preventing leakage of the injected electrolyte solution and providing adhesion with the electrode. It is to provide a gelling separator. In this case, the polymer to be coated is manufactured into a porous membrane having fine pores for rapid absorption and gelation of the electrolyte during post-injection of the electrolyte.

본 발명에 의한 다공성 고분자가 코팅된 겔화 세퍼레이터의 제조공정은 크게 고분자 용액을 분리막에 코팅하는 공정과, 이들을 상전이(phase inversion) 과정에 의해 다공질로 만드는 두 가지 공정으로 구성된다. 먼저 고분자와 유기용매로 구성되는 고분자 용액을 폴리올레핀 분리막의 양면에 균일한 두께로 코팅한다. 이들을 다시 물이 담긴 용기에 5 시간 이상 담가둠으로써 상전이를 진행시킨다. 상전이 과정중에 유기용매와 비용매인 물 사이에 자리 바꿈이 일어나 코팅된 고분자 층에 수많은 기공들이 형성된다. 이들을 순수한 증류수로 여러번 세척한 후 진공오븐에서 24 시간 이상 건조시키면, 다공성 고분자가 양면으로 코팅된 세퍼레이터가 얻어진다. 이들의 공극율은 30∼80 % 정도이며, 공극율에 따라서 기계적 물성의 큰 차이를 보인다. 또한 고분자 용액의 농도를 조절함으로써 코팅되는 다공성 고분자의 두께를 제어할 수 있으며, 이차전지에 이들을 적용하기 위해서는 10∼20 ㎛ 범위의 두께가 바람직하다. 이와같은 방법으로 얻어진 다공성 고분자가 코팅된 세퍼레이터를 전해액과 접촉시키게 되면 순간적으로 겔화가 진행됨과 동시에 이온 전도성이 부여되어 고분자 전해질로 사용할 수 있다. 이 때 세퍼레이터에 코팅된 고분자막이전해액에 의해 겔화가 진행되면서 접착특성이 발현되어 전지제조시 전극과의 일체화가 쉽게 이루어진다.The manufacturing process of the gelling separator coated with the porous polymer according to the present invention is largely composed of two steps of coating the polymer solution on the membrane and making them porous by a phase inversion process. First, a polymer solution composed of a polymer and an organic solvent is coated with a uniform thickness on both sides of a polyolefin separator. The phase transition is advanced by soaking them in a container containing water for 5 hours or more. During the phase transition process, a change occurs between the organic solvent and the nonsolvent water, and numerous pores are formed in the coated polymer layer. After washing several times with pure distilled water and drying in a vacuum oven for more than 24 hours, a separator coated with a porous polymer on both sides is obtained. These porosities are about 30 to 80% and show a large difference in mechanical properties depending on the porosity. In addition, it is possible to control the thickness of the porous polymer to be coated by adjusting the concentration of the polymer solution, in order to apply them to the secondary battery, a thickness in the range of 10 to 20 ㎛ is preferred. When the separator coated with the porous polymer obtained in this manner is brought into contact with the electrolyte solution, the gelation proceeds instantaneously and the ion conductivity is imparted, thereby being used as the polymer electrolyte. At this time, as the gelation progresses due to the polymer membrane electrolyte coated on the separator, the adhesive property is expressed, and thus, the battery is easily integrated with the electrode.

본 발명에서 사용되어진 분리막으로는 특히 한정되어지는 것은 없으며, 종래 공지의 것을 사용하는 것이 가능하다. 예를들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오루에틸렌 등의 불소계 수지, 폴레에틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스터계 수지 및 셀룰로오스계와 같은 종이재질의 부직포도 가능하다. 이들은 공극율이 최소 30 % 이상이며, 25 ㎛ 내외의 두께를 갖는 기계적 강도가 뛰어난 미세다공막이다. 또한, 본 발명에서 분리막에 코팅되는 고분자는 전해액과 적당한 친화성이 있으면서 전해액에 용해되지 않는 물질이 바람직하다. 예를들면 아크릴로니트릴-메틸메타크릴레이트 공중합체가 대표적이다. 공중합체에서 아크릴로니트릴과 메틸메타크릴레이트의 상대적인 비율은 전해액 주입시 이들의 흡수량과 전극과의 접착성을 결정지어주는 중요한 변수이다. 고분자를 용해시키기 위해서 사용되는 유기용매는 코팅되는 고분자에 대해서는 우수한 용해 특성을 갖고 있어야 하며, 지지체로 사용되는 분리막에 대해서는 비용매 특성을 가져야 한다. 이러한 유기용매에는 아세톤, 테트라히드로퓨란, 아세토니트릴, 디메틸포름아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈, 디메텔카보네이트 등이 있고, 이들 유기용매를 2개 이상 혼합하여 사용할 수도 있다. 다공성 고분자가 코팅된 세퍼레이터를 겔화시킴과 동시에, 이온 전도도를 부여하기 위해 사용되는 전해액은 비양자성용매와 리튬염으로 구성되는 혼합물이다. 구체적으로 전해액에 사용되는 비양자성용매로서는 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등의 환상형 에스테르계, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸카보네이트 등의 선형 에스테르계, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄 등의 선형 에테르계, 테트라히드로퓨란 등의 환상형 에테르계, γ-뷰틸로락톤 등의 락톤류 등을 사용하는 것이 가능하고, 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 리튬염으로서는 리튬 헥사플루오르포스페이트(LiPF6), 리튬 퍼클로로레이트(LiClO4), 리튬 테트라플루오르보레이트(LiBF4), 리튬 트리플루오르메탄설포네이트(LiCF3SO3) 등을 사용하는 것이 가능하며, 이들 리튬염만으로 한정하는 것이 아니고, 이외의 다양한 음이온과 결합된 리튬염도 사용 가능하다.The separator used in the present invention is not particularly limited, and conventionally known ones can be used. For example, olefin resins such as polyethylene and polypropylene, fluorine resins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene, polyester resins such as polyethylene terephthalate, and nonwoven fabrics such as cellulose Do. These are microporous membranes excellent in mechanical strength having a porosity of at least 30% or more and having a thickness of about 25 μm. In addition, in the present invention, the polymer coated on the separator is preferably a substance which does not dissolve in the electrolyte while having a proper affinity with the electrolyte. For example, acrylonitrile-methyl methacrylate copolymer is representative. The relative ratio of acrylonitrile and methyl methacrylate in the copolymer is an important parameter that determines the amount of their absorption and adhesion to the electrode when the electrolyte is injected. The organic solvent used for dissolving the polymer should have excellent dissolution properties for the polymer to be coated and have non-solvent properties for the separator used as a support. Such organic solvents include acetone, tetrahydrofuran, acetonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, dimethelcarbonate, and the like, and two or more of these organic solvents may be used in combination. The electrolytic solution used to gel the porous polymer-coated separator and impart ionic conductivity is a mixture composed of an aprotic solvent and a lithium salt. Specifically, examples of the aprotic solvent used in the electrolyte include cyclic esters such as ethylene carbonate and propylene carbonate, linear esters such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, and linear ethers such as dimethoxyethane and diethoxyethane. And cyclic ethers such as tetrahydrofuran, lactones such as γ-butyrolactone, and the like can be used, and these can be used alone or in combination of two or more thereof. As the lithium salt, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium perchloroate (LiClO 4 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), or the like can be used. It is not limited only to these lithium salts, The lithium salt couple | bonded with various other anions can also be used.

본 발명으로 제조되는 다공성 고분자가 코팅된 겔화 가능한 세퍼레이터를 사용하여 리튬이차전지를 제조하는 경우, 양극 및 음극으로는 다음과 같은 재료들이 사용될 수 있다. 양극으로는 주로 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬망간산화물 등의 리튬금속산화물이 사용되어지며, 이 외에도 황화티타늄, 산화바나늄 등의 물질과 설퍼 등의 반응성 유기물들을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 음극으로는 리튬금속, 리튬알로이, 비정질탄소, 흑연계 탄소를 사용하는 것이 가능하다.When the lithium secondary battery is manufactured using the gelable separator coated with the porous polymer prepared according to the present invention, the following materials may be used as the positive electrode and the negative electrode. Lithium metal oxides such as lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, and lithium manganese oxide are mainly used as the positive electrode. In addition, reactive organic materials such as sulfur and materials such as titanium sulfide and vanadium oxide may be used. In addition, as the negative electrode, it is possible to use lithium metal, lithium alloy, amorphous carbon and graphite carbon.

본 발명은 하기의 실시 예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 예시에 불과하며 본 발명의 보호범위를 한정하거나 제한하고자 하는 것은 아니다.The present invention will be further illustrated by the following examples, which are only specific examples of the present invention and are not intended to limit or limit the protection scope of the present invention.

[실시예]EXAMPLE

(실시예 1)(Example 1)

본 발명의 방법에 따른 다공성 고분자가 코팅된 겔화 세퍼레이터를 하기와 같이 제조하였다. 아크릴로니트릴 조성이 85 몰 %인 아크릴로니트릴-메틸메타크릴레이트 공중합체를 디메틸포름아마이드 용매에 1 중량 %로 용해시킨 고분자 용액을 제조한다. 지지체로 사용되는 두께 25 ㎛, 공극율 40 %인 폴리에틸렌 분리막에 위에서 제조한 고분자 용액을 코팅시킨 후, 이들을 물이 담긴 용기에 12 시간 담가둔다. 이들을 꺼내어 증류수로 깨끗이 세척한 후 진공오븐에서 24 시간 건조한다. 얻어진 다공성 고분자가 코팅된 세퍼레이터 표면의 전자현미경 사진이 제 1도에 실려있다. 코팅된 고분자 층에 많은 기공이 형성되었음을 관찰할 수 있으며, 코팅된 다공질 고분자 층의 두께는 단면기준 2.5 ㎛로 세퍼레이터의 총 두께는 30 ㎛ 이다. 이들을 전해액에 침적시키면 다공막 내부로 전해액이 확산되어 침투할 뿐 아니라, 다공막 표면의 고분자가 겔화되어 이온 전도성을 갖게된다. 이 때 전해액은 리튬퍼클로로레이트염을 에틸렌카보네이트/디메틸카보네이트(부피비 1/1) 혼합용매에 1 M의 농도로 녹인 것을 사용하였다. 전해액 침적 전후의 무게 변화로부터 세퍼레이터가 함유하고 있는 전해액 양은 중량비로 85 %이었고, 이온 전도도를 측정한 결과 상온에서 7.7 ×10-4S/cm 이었다. 전기화학적 안정성은 선형주사전위 실험을 통해 조사하였는데, 리튬을 기준전극으로 하여 5.0 V에 이를 때까지 전기화학적으로 안정한 것으로 나타났다(제 2 도 참조).The gelling separator coated with the porous polymer according to the method of the present invention was prepared as follows. A polymer solution is prepared by dissolving an acrylonitrile-methyl methacrylate copolymer having an acrylonitrile composition of 85 mol% in a dimethylformamide solvent at 1% by weight. After coating the polymer solution prepared above on a polyethylene membrane having a thickness of 25 μm and a porosity of 40% to be used as a support, they are immersed in a container containing water for 12 hours. They are taken out, washed thoroughly with distilled water and dried in a vacuum oven for 24 hours. An electron micrograph of the surface of the separator coated with the obtained porous polymer is shown in FIG. It can be observed that many pores were formed in the coated polymer layer, and the thickness of the coated porous polymer layer was 2.5 μm based on the cross section, and the total thickness of the separator was 30 μm. When these are deposited in the electrolyte solution, the electrolyte solution diffuses and penetrates into the porous membrane, and the polymer on the surface of the porous membrane gels to have ion conductivity. At this time, the electrolyte was used by dissolving a lithium perchloroate salt in a ethylene carbonate / dimethyl carbonate (volume ratio 1/1) mixed solvent at a concentration of 1 M. From the weight change before and after electrolyte deposition, the amount of electrolyte solution contained in the separator was 85% by weight, and the ionic conductivity was measured to be 7.7 × 10 −4 S / cm at room temperature. The electrochemical stability was investigated through a linear scanning potential experiment, which was found to be electrochemically stable until 5.0 V using lithium as a reference electrode (see FIG. 2).

(실시예 2)(Example 2)

폴리에틸렌 분리막에 코팅하는 고분자 용액의 농도를 변화시킴으로써 분리막에 코팅되는 다공성 고분자 층의 두께를 조절하였다. 이 때 다공성 고분자 층의 두께 변화(양면기준)에 따른 전해액 흡수량과 이온전도도 값이 표 1에 나타나 있다.The thickness of the porous polymer layer coated on the separator was controlled by changing the concentration of the polymer solution coated on the polyethylene separator. At this time, the electrolyte absorption amount and the ion conductivity value according to the thickness change (double side basis) of the porous polymer layer are shown in Table 1.

전기화학적 안정성 측정결과, 다공성 고분자 층의 두께에 관계없이 5.0 V 까지 안정한 것으로 나타났다(제 2 도 참조).As a result of the electrochemical stability measurement, it was found to be stable up to 5.0 V regardless of the thickness of the porous polymer layer (see FIG. 2).

(실시예 3)(Example 3)

실시예 1과 실시예 2의 방법으로 제조한 다공성 고분자가 코팅된 겔화 세퍼레이터와 탄소음극 및 리튬코발트산화물(LiCoO2)을 양극을 사용하여 리튬이차전지를 제조하였다. 음극은 활물질인 인조흑연 92 중량 %와 바인더인 폴리비닐리덴플루오라이드 8 중량 %로 구성되며, 구리호일 위에 단면 코팅하여 사용하였다. 양극은 활물질인 리튬코발트산화물(LiCoO2) 94 중량 %, 도전재인 슈퍼-P 카본 3 중량 % 및 바인더인 폴리비닐리덴플루오라이드 3 중량 %로 구성되며, 알루미늄 호일 위에 단면 코팅하여 사용하였다. 실시예 1 및 2에서 전해액에 의하여 겔화된 세퍼레이터를 양극 위에 올려놓고, 다시 여기에 탄소 음극을 올려놓고, 알루미늄 블루백으로 진공포장하여 셀을 제조하였다. 충·방전 실험은 Toyo사의 충방전기를 사용하여 수행하였다. 제조된 리튬이차전지를 2.8에서 4.2 V 범위내에서 0.2 C의 충방전 속도로 충방전 테스트하였다. 이 때 얻어진 싸이클수에 따른 방전용량의 변화가 제 3도에 실려있다. 얻어진 이차전지의 방전용량은 양극의 LiCoO2활물질 질량을 기준으로 환산한 값이다. 싸이클 반복에 따른 용량 감소의 폭이 작아 비교적 좋은 싸이클 특성을 보임을 알 수 있다. 이는 폴리에틸렌 분리막 양면에 코팅된 다공성 고분자가 전해액을 효과적으로 보액하고 있을 뿐 아니라, 전극/세퍼레이터의 계면 접착도 향상시켜 주기 때문이다. 제조된 리튬이차전지의 방전율에 방전곡선이 제 4도에 실려있다. 고율인 2C 에서도 138 mAh/g의 비용량을 나타내어 우수한 고율방전특성을 보임을 알 수 있다.A lithium secondary battery was manufactured by using a porous polymer-coated gelation separator and a carbon anode and lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) prepared by the methods of Examples 1 and 2 using a cathode. The negative electrode was composed of 92% by weight of artificial graphite as an active material and 8% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder. The positive electrode was composed of 94 wt% of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) as an active material, 3 wt% of Super-P carbon as a conductive material, and 3 wt% of polyvinylidene fluoride as a binder. In Examples 1 and 2, the separator gelled by the electrolytic solution was placed on the positive electrode, the carbon negative electrode was placed thereon, and vacuum-packed with an aluminum blue bag to prepare a cell. Charge and discharge experiments were performed using Toyo's charger and discharger. The prepared lithium secondary battery was charged and discharged at a charge and discharge rate of 0.2 C within a range of 2.8 to 4.2 V. The change of the discharge capacity according to the number of cycles obtained at this time is shown in FIG. Discharge capacity of the resultant secondary battery is a value converted based on the mass of the positive electrode active material is LiCoO 2. It can be seen that the capacity reduction due to the cycle repetition is small and thus shows relatively good cycle characteristics. This is because the porous polymer coated on both sides of the polyethylene separator not only effectively holds the electrolyte solution but also improves the interfacial adhesion between the electrode and the separator. The discharge curve of the discharge rate of the manufactured lithium secondary battery is shown in FIG. Even at 2C, which is a high rate, it shows a specific capacity of 138 mAh / g, which shows excellent high rate discharge characteristics.

본 발명에 의하여 고안된 다공성 고분자가 코팅된 겔화 세퍼레이터를 전기 화학셀에 적용하는 경우 다음과 같은 특징 및 효과가 기대된다. 전해액 누액이 적어 안전성이 향상되며, 가벼운 알루미늄 파우치를 포장재료로 사용할 수 있다. 분리막에 코팅하는 고분자를 다공질로 제조함으로써 전해액 흡수량을 증가시킴과 동시에 전지제조공정시 전해액의 흡수속도를 향상시킬 수 있다. 접착성이 있는 겔 고분자 전해질을 세퍼레이터 표면에 코팅시킴으로써 전극/전해질 결착력을 향상시킬 수 있다. 기계적 물성이 우수하여, 핸들링이 가능한 박막의 전해질 필름제조가 가능하며, 전지조립시 수율이 높고, 사용시 내부단락의 가능성이 적다.When the gelling separator coated with the porous polymer devised by the present invention is applied to an electrochemical cell, the following features and effects are expected. Less leakage of electrolyte solution improves safety and light aluminum pouch can be used as a packaging material. By preparing the polymer coated on the membrane in a porous manner, it is possible to increase the electrolyte absorption and at the same time improve the absorption rate of the electrolyte during the battery manufacturing process. The electrode / electrolyte binding force can be improved by coating an adhesive gel polymer electrolyte on the separator surface. With excellent mechanical properties, it is possible to manufacture a thin film electrolyte film that can be handled, high yield when assembling batteries, and less possibility of internal short circuit when using.

Claims (4)

전해액에 의해 겔화될 수 있는 고분자를 분리막의 적어도 한쪽 면에 다공질로 코팅하여 제조되는 세퍼레이터 및 이들로부터 제조되는 전기화학셀.A separator produced by coating a polymer that can be gelled by an electrolyte on at least one surface of the separator with a porous membrane and an electrochemical cell prepared therefrom. 제 1항에 있어서, 겔화과정이 전지 조립후 주입되는 전해액에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학셀.The electrochemical cell of claim 1, wherein the gelation process is performed by an electrolyte solution injected after battery assembly. 제 1항에 있어서, 분리막에 코팅되는 겔화할 수 있는 다공성의 고분자가 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리비닐피롤리돈, 폴리염화비닐, 폴리부타디엔으로부터 선택된 단일 성분 또는 2종 이상의 성분으로 이루어진 공중합체 또는 블렌드를 사용하는 것을 특징으로 하는 겔화 세퍼레이터.The method of claim 1, wherein the gelable porous polymer coated on the separator is polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polymethyl methacrylate, polystyrene, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl chloride, A gelling separator characterized by using a copolymer or a blend consisting of a single component or two or more components selected from polybutadiene. 제 1항에 있어서, 상기 분리막으로 사용되는 고분자가, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오루에틸렌 등의 불소계 수지, 폴레에틸렌테레프탈레이트 등의 에스터계 수지 및 셀룰로오스계 부직포로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 성분 또는 2종 이상의 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다공성 겔화 세퍼레이터.The polymer used in the separator is an olefin resin such as polyethylene, polypropylene, fluorine resin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, ester resin such as polyethylene terephthalate, and the like. A porous gelling separator, comprising a single component or two or more components selected from the group consisting of cellulosic nonwovens.
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