JP6306159B2 - リチウム二次電池用セパレーターの製造方法、その方法により製造されたセパレーター、及びこれを含むリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池用セパレーターの製造方法、その方法により製造されたセパレーター、及びこれを含むリチウム二次電池 Download PDF

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Description

本発明は、リチウム二次電池用セパレーターの製造方法、その方法により製造されたセパレーター、及びこれを含むリチウム二次電池に関し、より詳しくは、セパレーターの表面に電極接着層を形成する際、レーザープリンティング方式を用いることで溶媒が不要となり、これによって取り扱い及び保管が容易になり費用節減の効果が得られるリチウム二次電池用セパレーターの製造方法、その方法により製造されたセパレーター、及びこれを含むリチウム二次電池に関する。
本出願は、2013年9月30日出願の韓国特許出願第10−2013−0116745号及び2014年9月29日出願の韓国特許出願第10−2014−0130571号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
近年、エネルギー貯蔵に関する関心が高まりつつある。携帯電話、カムコーダー、及びノートブックパソコン、延いては、電気自動車及び電力貯蔵にまで適用分野が拡がり、電気化学素子の研究及び開発に対する努力がだんだん具体化している。
電気化学素子は、このような面から最も注目されている分野であって、その中でも、充放電が可能な二次電池の開発は、関心の焦点となっている。最近は、このような電池を開発することにおいて、容量密度及び比エネルギーを向上させるために、新しい電極と電池の設計に関する研究開発へ進みつつある。
現在、適用されている二次電池のうち、1990年代初めに開発されたリチウム二次電池は、水溶性電解液を使用するNi−MH、Ni−Cd、硫酸−鉛電池などの在来式電池に比べ、作動電圧が高く、エネルギー密度が遥かに高いという長所からエネルギー貯蔵技術が必要な多様な分野において用いられている。
リチウム二次電池は、一般的にアノード活物質を含むアノード、カソード活物質を含むカソード、アノードとカソードとの間に介されてこれらを電気的に絶縁するセパレーター、及び電解質塩と有機溶媒とをを含む非水電解質を含んでいる。
一般に、セパレーターは、接触している電池の構成成分に対して安定性及び耐劣化性を有すべきであり、高い電解電気伝導率、及びセパレーターを製造及び加工するか電池に使われる時、両電極間の接触を防止しながらもセパレーターの原型を維持可能な程度の十分な強度を有しなければならない。このような面から、微小孔の構造を備えたポリオレフィン系の多孔性高分子基材が一般的に使われている。
なお、セパレーターは、電極との接着力の向上または過充電時における溶融ショットダウン防止などの理由で、セパレーターの表面に電極接着層をさらに導入し得る。従来、電極接着層が導入されたセパレーターは、溶媒を含む高分子スラリーを多孔性高分子基材に塗布した後、乾燥する段階を行うことによって製造されていた。このような溶媒追加の目的は、流動性の確保、高分子粒子の適切な分散度及び粘度を得ることにある。
しかし、従来技術によれば、溶媒の必要性による購入費用の発生、人体に有害な溶媒の場合、取り扱い及び保管に対する費用負担、そしてコーティング後で行われる溶媒の乾燥段階による歩留まりの低下などの問題点が発生することがあった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電極接着層の形成時、溶媒が不要でるため取り扱い及び保管が容易で、コーティング後の溶媒の乾燥段階が不要であることから、コーティングの迅速性及び費用節減の効果が生じ、リチウムイオン伝達に有利なパターン形態に形成するリチウム二次電池用セパレーターの製造方法、その方法により製造されたセパレーター、及びこれを含むリチウム二次電池を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するため、本発明の一面によれば、(S1)高分子粒子を帯電させ、帯電された高分子粒子を形成する帯電段階と、(S2)前記帯電された高分子粒子を、多孔性高分子基材の少なくとも一面に転写して電極接着層を形成し、前記電極接着層の形成面積が前記多孔性高分子基材の全体面積に対し1〜30%となるように形成する転写段階と、(S3)前記電極接着層を熱及び圧力で固定する定着段階と、を含むリチウム二次電池用セパレーターの製造方法が提供される。
ここで、前記多孔性高分子基材は、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンスルファイド及びポリエチレンナフタレートからなる群より選択される何れか一種、またはこれらの二種以上の混合物で形成され得る。
また、前記高分子粒子は、ポリビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン(polyvinylidene fluoride−co−hexafluoropropylene,PVDF−HFP)、ポリビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン(polyvinylidene fluoride−co−chlorotrifluoroethylene)、ポリビニリデンフルオライド−トリクロロエチレン(polyvinylidene fluoride−co−trichloroethylene)、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate)、ポリブチルアクリレート(polybutylacrylate)、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、ポリビニルピロリドン(polyvinylpyrrolidone)、ポリビニルアセテート(polyvinylacetate)、エチレンビニルアセテート共重合体(polyethylene−co−vinyl acetate)、ポリエチレン(polyethylene)、ポリエチレンオキサイド(polyethylene oxide)、ポリアリレート(polyarylate)、セルロースアセテート(cellulose acetate)、セルロースアセテートブチレート(cellulose acetate butyrate)、セルロースアセテートプロピオネート(cellulose acetate propionate)、シアノエチルプルラン(cyanoethylpullulan)、シアノエチルポリビニルアルコール(cyanoethylpolyvinylalcohol)、シアノエチルセルロース(cyanoethylcellulose)、シアノエチルスクロース(cyanoethylsucrose)、プルラン(pullulan)、アルジネート(alginate)及びカルボキシルメチルセルロース(carboxyl methyl cellulose)からなる群より選択されるいずれか一種、またはこれらの二種以上の混合物であり得る。
なお、前記電極接着層の厚さは、0.001μm〜5μmであり得る。
また、前記電極接着層は、線形パターン、波形パターン、格子パターン及び不規則的なパターンからなる群より選択される少なくともいずれか一つのパターンで形成され得る。
また、前記電極接着層は、前記多孔性高分子基材の両面にそれぞれ形成され、前記それぞれの電極接着層は、互いに非対称的なパターンで形成され得る。
更に、前記電極接着層は、前記多孔性高分子基材の両面にそれぞれ形成され、前記それぞれの電極接着層は、塗布量が互いに異なり得る。
なお、前記定着段階は、前記電極接着層を60〜180℃の温度で、1kgf/cm2〜300kgf/cm2の圧力で固定し得る。
なお、本発明の他面によれば、(S1)多孔性高分子基材の少なくとも一面に無機物粒子を含む多孔性コーティング層を形成する段階と、(S2)高分子粒子を帯電させ、帯電された高分子粒子を形成する帯電段階と、(S3)前記帯電された高分子粒子を、前記多孔性コーティング層上に転写して電極接着層を形成し、前記電極接着層の形成面積が前記多孔性コーティング層の全体面積に対し1〜30%となるように形成する転写段階と、(S4)前記電極接着層を熱及び圧力で固定する定着段階と、を含むリチウム二次電池用セパレーターの製造方法が提供される。
ここで、前記無機物粒子は、誘電率(定数)が5以上の無機物粒子、リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子及びこれらの混合物からなる群より選択され得る。
ここで、前記誘電率定数が5以上の無機物粒子は、SrTiO3、SnO2、CeO2、MgO、NiO、CaO、ZnO、ZrO2、SiO2、Y23、Al23、AlOOH、Al(OH)3、TiO2、SiC、BaTiO3、Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT,ここで、0<x<1である)、Pb1-xLaxZr1-yTiy3(PLZT,ここで、0<x<1、0<y<1である)、(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−xPbTiO3(PMN−PT,ここで、0<x<1である)及びHfO2からなる群より選択されるいずれか一種、またはこれらの二種以上の混合物であり得る。
また、前記リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子は、リチウムホスフェート(Li3PO4)、リチウムチタンフォスフェート(LixTiy(PO43、0<x<2、0<y<3)、リチウムアルミニウムチタンホスフェート(LixAlyTiz(PO43、0<x<2、0<y<1、0<z<3)、(LiAlTiP)xy系列ガラス(0<x<4、0<y<13)、リチウムランタンチタネート(LixLayTiO3、0<x<2、0<y<3)、リチウムゲルマニウムチオホスフェート(LixGeyzw、0<x<4、0<y<1、0<z<1、0<w<5)、リチウムナイトライド(Lixy、0<x<4、0<y<2)、SiS2(LixSiyz、0<x<3、0<y<2、0<z<4)系列ガラス及びP25(Lixyz、0<x<3、0<y<3、0<z<7)系列ガラスからなる群より選択されるいずれか一種またはこれらの二種以上の混合物であり得る。
また、前記無機物粒子の平均粒径は、0.001μm〜100μmであり得る。
また、前記多孔性コーティング層の厚さは、1μm〜100μmであり得る。
そして、前記多孔性コーティング層は、前記多孔性高分子基材の両面にそれぞれ形成され、前記それぞれの多孔性コーティング層上に形成されるそれぞれの前記電極接着層は、互いに非対称的なパターンで形成され得る。
また、前記多孔性コーティング層は、前記多孔性高分子基材の両面にそれぞれ形成され、前記それぞれの多孔性コーティング層上に形成されるそれぞれの前記電極接着層は、塗布量が互いに相違し得る。
そして、前記定着段階は、前記電極接着層を60〜180℃の温度で、1kgf/cm2〜300kgf/cm2の圧力で固定することであり得る。
なお、本発明の他面によれば、前述の本発明の製造方法で製造されたリチウム二次電池用セパレーターが提供される。
なお、本発明の更なる他面によれば、多孔性高分子基材と、前記多孔性高分子基材の少なくとも一面に形成され、前記多孔性高分子基材の全体面積に対し1〜30%の面積に形成された高分子粒子からなる電極接着層と、を含むリチウム二次電池用セパレーターが提供される。
さらに、多孔性高分子基材と、前記多孔性高分子基材の少なくとも一面に形成された無機物粒子を含む多孔性コーティング層と、前記多孔性コーティング層上に形成され、前記多孔性コーティング層の全体面積に対し1〜30%の面積に形成された高分子粒子からなる電極接着層と、を含むリチウム二次電池用セパレーターが提供される。
また、本発明の更なる他面によれば、アノード、カソード、前記アノードと前記カソードとの間に介されたセパレーター及び非水電解液を含むリチウム二次電池であって、前記セパレーターは、前述のリチウム二次電池用セパレーターであるリチウム二次電池が提供される。
前記非水電解液は、有機溶媒及び電解質塩を含み得る。
前記有機溶媒は、エチレンカーボネート(ethylene carbonate,EC)、プロピレンカーボネート(propylene carbonate,PC)、1,2−ブチレンカーボネート、2,3−ブチレンカーボネート、1,2−ペンチレンカーボネート、2,3−ペンチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート(fluoroethylene carbonate,FEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、プロピルプロピオネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、σ−バレロラクトン及びε−カプロラクトンからなる群より選択されるいずれか一種、またはこれらの二種以上の混合物であり得る。
また、前記電解質塩は、陰イオンとして、 F-、Cl-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、PF6 -、(CF32PF4 -、(CF33PF3 -、(CF34PF2 -、(CF35PF-、(CF36-、CF3SO3 -、CF3CF2SO3 -、(CF3SO22-、(FSO22-、CF3CF2(CF32CO-、(CF3SO22CH-、(SF53-、(CF3SO23-、CF3(CF27SO3 -、CF3CO2 -、CH3CO2 -、SCN-及び(CF3CF2SO22-からなる群より選択されるいずれか一種、またはこれらの二種以上を含み得る。
本発明は、溶媒を含むスラリーの塗布ではなく、静電気を用いて電極接着層を導入したリチウム二次電池用セパレーターの製造方法であって、レーザープリンティング方式で高分子粒子を塗布するため溶媒が不要となり、これによって取り扱い及び保管が容易になって費用節減の効果が得られ、溶媒の乾燥段階が不要であるため、迅速にリチウム二次電池用セパレーターを製造することができる。
さらに、電極接着層の全体面積ではなく、一部面積にのみ塗布することで、リチウム二次電池の過度な抵抗上昇を防止することができる。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
本発明の一実施例による、リチウム二次電池用セパレーターの製造方法は以下のとおりである。
まず、高分子粒子を帯電させ、帯電された高分子粒子を形成する(帯電段階)。
前記高分子粒子を貯蔵槽に投入して陰電荷または陽電荷で帯電させる際、前記高分子粒子に静電気的引力を印加するために高電圧を印加するコロナ放電法、アーク放電法、または物性の異なる材料が互いに接触するとき、電荷が交換できる能力を用いる摩擦電気発生法などを用いることができるが、これらに限定されることではない。このような帯電の目的は、高分子粒子を後述の多孔性高分子基材または多孔性コーティング層に瞬間的または継続的に付着可能であるよう、高分子粒子内の駆動力を発生させるためのことにある。
ここで、前記高分子粒子は、ポリビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン(polyvinylidene fluoride−co−hexafluoropropylene,PVDF−HFP)、ポリビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン(polyvinylidene fluoride−co−chlorotrifluoroethylene)、ポリビニリデンフルオライド−トリクロロエチレン(polyvinylidene fluoride−co−trichloroethylene)、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate)、ポリブチルアクリレート(polybutylacrylate)、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、ポリビニルピロリドン(polyvinylpyrrolidone)、ポリビニルアセテート(polyvinylacetate)、エチレンビニルアセテート共重合体(polyethylene−co−vinyl acetate)、ポリエチレン(polyethylene)、ポリエチレンオキサイド(polyethylene oxide)、ポリアリレート(polyarylate)、セルロースアセテート(cellulose acetate)、セルロースアセテートブチレート(cellulose acetate butyrate)、セルロースアセテートプロピオネート(cellulose acetate propionate)、シアノエチルプルラン(cyanoethylpullulan)、シアノエチルポリビニルアルコール(cyanoethylpolyvinylalcohol)、シアノエチルセルロース(cyanoethylcellulose)、シアノエチルスクロース(cyanoethylsucrose)、プルラン(pullulan)、アルジネート(alginate)及びカルボキシルメチルセルロース(carboxyl methyl cellulose)からなる群より選択されるいずれか一種、またはこれらの二種以上の混合物であり得る。
その後、前記帯電した高分子粒子を、多孔性高分子基材の少なくとも一面に転写して電極接着層を形成し、この際、前記電極接着層の形成面積が前記多孔性高分子基材の全体面積に対し1〜30%となるように形成する(転写段階)。
帯電された高分子粒子が陽電荷または陰電荷で帯電された場合であれば、多孔性高分子基材はそれぞれ陰電荷または陽電荷で帯電されていてもよい。したがって、前記多孔性高分子基材が前記帯電された高分子粒子の周辺に位置すれば、静電気的引力が作用して、帯電された高分子粒子は多孔性高分子基材に付着されることで電極接着層を形成するようになる。
本発明において使用可能な多孔性高分子基材としては、通常リチウム二次電池に使われる多孔性高分子基材であれば全て使用可能であり、例えば、ポリオレフィン系多孔性膜(membrane)または不織布を使うことができるが、特にこれに限定されない。
前記ポリオレフィン系多孔性膜の例としては、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンのようなポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリペンテンなどのポリオレフィン系高分子をそれぞれ単独で、またはこれらを混合した高分子で形成した膜(membrane)が挙げられる。
前記不織布としては、ポリオレフィン系不織布の他、例えば、ポリエチレンテレフタレート(polyethyleneterephthalate)、ポリブチレンテレフタレート(polybutyleneterephthalate)、ポリエステル(polyester)、ポリアセタール(polyacetal)、ポリアミド(polyamide)、ポリカーボネート(polycarbonate)、ポリイミド(polyimide)、ポリエーテルエーテルケトン(polyetheretherketone)、ポリエーテルスルホン(polyethersulfone)、ポリフェニレンオキサイド(polyphenyleneoxide)、ポリフェニレンスルファイド(polyphenylenesulfide)及びポリエチレンナフタレン(polyethylenenaphthalene)などをそれぞれ単独で、またはこれらを混合した高分子で形成した不織布が挙げられる。不織布の構造は、長繊維で構成されたスパンボンド不織布またはメルトブローン不織布であってもよい。
ここで、前記多孔性高分子基材の厚さは特に制限されないが、5μm〜50μmであり得、多孔性高分子基材に存在する気孔の大きさ及び気孔度も、特に制限されないが、それぞれ1nm〜200nm及び10%〜95%であり得る。
そして、前記電極接着層の厚さは、0.001μm〜5μmであり得、前記多孔性高分子基材の全体面積に塗布せず、1%〜30%となるように形成することで、リチウム二次電池の過度な抵抗の上昇を防止することができる。
電極接着層の形成面積が前記数値範囲の未満であれば、電極との接着力が不足であって、以後の電極との接着が円滑に行われないことがあり、前記数値範囲を超過すれば、電池として作動する際、リチウム二次電池の抵抗の上昇を誘発し、電池性能の劣化をもたらすことがある。
また、前記電極接着層は、リチウムイオンの伝達に有利な形態のパターンに形成され得るが、そのようなパターンとしては、線形パターン、波形パターン、格子パターン及び不規則的なパターンからなる群より選択される少なくともいずれか一つのパターンに形成され得る。
そして、前記電極接着層は、前記多孔性高分子基材の両面にそれぞれ形成される場合、前記それぞれの電極接着層は、電極の接着特性に応じて、相互非対称的なパターンに形成され得、それぞれの電極接着層の塗布量が互いに相異し得る。
続いて、前記多孔性高分子基材に形成された電極接着層を熱及び圧力で固定する(定着段階)。
この際、前記電極接着層をヒーティング及びプレスローラーを通過させ加熱及び圧着し得る。この場合、前記電極接着層に60℃〜180℃の温度及び1 kgf/cm2〜300kgf/cm2の圧力で加熱及び圧着すれば、より均一に前記電極接着層を固定することができる。
なお、前述とは違って、多孔性高分子基材上に無機物粒子を含む多孔性コーティング層を先に形成した後、電極接着層を形成することも可能であるが、これについてより詳しく説明すれば、次のようである。
まず、多孔性高分子基材の少なくとも一面に無機物粒子を含む多孔性コーティング層を形成する。
この際、使われる多孔性高分子基材は前述のようである。
そして、前記無機物粒子として誘電率の高い無機物粒子を使う場合、液体電解質内の電解質塩、例えば、リチウム塩の解離度増加に寄与して電解液のイオン伝導度を向上させることができる。
このような理由で、前記無機物粒子は、誘電率(定数)が5以上、または10以上の高誘電率無機物粒子、リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子またはこれらの混合物を含み得る。
誘電率(定数)が5以上である無機物粒子の非制限的な例としては、SrTiO3、SnO2、CeO2、MgO、NiO、CaO、ZnO、ZrO2、SiO2、Y23、Al23、AlOOH、Al(OH)3、TiO2、SiC、BaTiO3、Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT,ここで、0<x<1である)、Pb1-xLaxZr1-yTiy3(PLZT,ここで、0<x<1、0<y<1である)、(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−xPbTiO3(PMN−PT,ここで、0<x<1である)及びHfO2などをそれぞれ単独で、または二種以上を混合して用いることができる。
特に、前述のBaTiO3、Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT,ここで、0<x<1である)、Pb1-xLaxZr1-yTiy3(PLZT,ここで、0<x<1、0<y<1である)、(1−x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−xPbTiO3(PMN−PT,ここで、0<x<1である)及びHfO2のような無機物粒子は、誘電率定数100以上の高誘電率特性を示すだけでなく、一定圧力を印加して引張または圧縮した場合、電荷が発生して両面間に電位差が発生する圧電性(piezoelectricity)を有することから、外部衝撃による両電極の内部短絡の発生を防止して電気化学素子の安全性の向上を図ることができる。また、前述の高誘電率無機物粒子とリチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子とを混用する場合、これらの上昇効果は倍加され得る。
前記リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子とは、リチウム元素を含むがリチウムを貯蔵せず、リチウムイオンを移動させる機能を有する無機物粒子を指称するものであって、リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子は、粒子構造の内部に存在する一種の欠陷(defect)によってリチウムイオンを伝達及び移動させることができるため、電池内のリチウムイオン伝導度が向上し、これによって電池性能の向上を図ることができる。前記リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子の非制限的な例としては、リチウムホスフェート(Li3PO4)、リチウムチタンホスフェート(LixTiy(PO43、0<x<2、0<y<3)、リチウムアルミニウムチタンホスフェート(LixAlyTiz(PO43、0<x<2、0<y<1、0<z<3)、14Li2O−9Al23−38TiO2−39P25などのような(LiAlTiP)xy系列ガラス(0<x<4、0<y<13)、リチウムランタンチタネート(LixLayTiO3、0<x<2、0<y<3)、Li3.25Ge0.250.754などのようなリチウムゲルマニウムチオホスフェート(LixGeyzw、0<x<4、0<y<1、0<z<1、0<w<5)、Li3Nなどのようなリチウムナイトライド(Lixy、0<x<4、0<y<2)、Li3PO4−Li2S−SiS2などのようなSiS2系列ガラス(LixSiyz、0<x<3、0<y<2、0<z<4)、LiI−Li2S−P25などのようなP25系列ガラス(Lixyz、0<x<3、0<y<3、0<z<7)またはこれらの混合物などがある。
ここで、前記無機物粒子の平均粒径は、例えば、0.001μm〜100μmであり得、または0.01μm〜50μmであり得る。前記無機物粒子の平均粒径がこのような範囲を満足する場合、無機物粒子の比表面積が急激に増加してこれを決着するためのバインダーが過量使われる問題点を防止することとともに、適切な多孔性コーティング層の厚さ、無機物粒子間の適切な空隙の大きさ及び適切な空隙率を満足するようになる。
そして、前記多孔性コーティング層の厚さは、1μm〜100μm、または 1μm〜40μm、または2μm〜15μmであり得る。
前記多孔性コーティング層がこのような厚さ範囲を満足する場合、付加的なリチウムイオン移動経路の追加及び電解液の含浸率の向上による電池の性能向上を図ることができるだけでなく、熱的安全性を向上させることができる。
その後、高分子粒子を帯電させ、帯電された高分子粒子を形成する(帯電段階)。
この際、使用される高分子粒子と、この高分子粒子を帯電させる方式は、前述の通りである。
続いて、前記帯電された高分子粒子を、前記多孔性コーティング層上に転写して電極接着層を形成し、前記電極接着層の形成面積が前記多孔性コーティング層の全体面積に対し1〜30%となるように形成する(帯電段階)。
帯電された高分子粒子が陽電荷または陰電荷で帯電された場合であれば、多孔性コーティング層はそれぞれ陰電荷または陽電荷で帯電されていてもよい。したがって、前記多孔性コーティング層が前記帯電された高分子粒子の周辺に位置すれば、静電気的な引力が作用して、帯電された高分子粒子は多孔性コーティング層に付着されることで電極接着層を形成するようになる。
この際、前記電極接着層の厚さは、0.001μm〜5μmであり得、前記多孔性コーティング層の全面に塗布されず、1%〜30%となるように形成されることによってリチウム二次電池の過度な抵抗の上昇を防止することができる。
また、前記接着層は、リチウムイオンの伝達に有利な形態のパターンに形成され得るが、そのようなパターンとしては、線形パターン、波形パターン、格子パターン及び不規則的なパターンからなる群より選択された少なくともいずれか一つのパターンに形成され得る。
そして、前記多孔性コーティング層が、前記多孔性高分子基材の両面にそれぞれ形成される場合は、前記それぞれの多孔性コーティング層上に形成されるそれぞれの前記電極接着層は、電極接着特性に応じて、互いに非対称的なパターンに形成されることもあり、それぞれの電極接着層の塗布量が互いに相異することもある。
続いて、前記多孔性コーティング層に形成された電極接着層を熱及び圧力で固定する(定着段階)。
ここで、前記電極接着層をヒーティング及びプレスローラーを通過させ、加熱及び圧着し得る。この場合、前記電極接着層に60℃〜180℃の温度及び1kgf/cm2〜300kgf/cm2の圧力で加熱及び圧着すれば、より均一に前記電極接着層を固定することができる。
なお、本発明の一面によるリチウム二次電池は、アノード、カソード、前記アノードと前記カソードとの間に介されたセパレーター及び非水電解液を含むリチウム二次電池であって、前記セパレーターは前述の本発明の製造方法によって製造される。
本発明の一実施例によるリチウム二次電池に適用される電極は特に制限されないが、当業界に知られた通常の方法によって電極活物質を電極電流集電体に決着した形態に製造することができる。
前記電極活物質のうち、カソード活物質の非制限的な例としては、 従来のリチウム二次電池のカソードに使われる通常のカソード活物質を使用可能であり、 特にリチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウム鉄酸化物、またはこれらを組み合わせたリチウム複合酸化物を使うことができる。
アノード活物質の非制限的な例としては、従来のリチウム二次電池のアノードに使われる通常のアノード活物質を使用可能であり、特に、リチウム金属またはリチウム合金、炭素、石油コーク(petroleum coke)、活性化炭素(activated carbon)、グラファイト(graphite)またはその他の炭素類などのようなリチウム吸着物質などが望ましい。
カソード電流集電体の非制限的な例としては、アルミニウム、ニッケルまたはこれらの組合せによって製造されるホイルなどがあり、アノード電流集電体の非制限的な例としては、銅、金、ニッケルまたは銅合金、またはこれらの組合せによって製造されるホイルなどがある。
そして、前記非水電解液は、有機溶媒及び電解質塩を含み、前記電解質塩は、リチウム塩であり得る。前記リチウム塩は、リチウム二次電池用電解液に通常使用されるものなどが制限なく使われ得る。例えば、前記リチウム塩の陰イオンでは、F-、Cl-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、PF6 -、(CF32PF4 -、(CF33PF3 -、(CF34PF2 -、(CF35PF-、(CF36-、CF3SO3 -、CF3CF2SO3 -、(CF3SO22-、(FSO22-、CF3CF2(CF32CO-、(CF3SO22CH-、(SF53-、(CF3SO23-、CF3(CF27SO3 -、CF3CO2 -、CH3CO2 -、SCN-及び(CF3CF2SO22-からなる群より選択されるいずれか一種、またはこれらの二種以上を含み得る。
前述の非水電解液に含まれる有機溶媒としては、リチウム二次電池用電解液に通常使用されるものなどを制限なく使うことができ、例えば、エーテル、エステル、アミド、線状カーボネート、環状カーボネートなどをそれぞれ単独でまたは二種以上を混合して使うことができる。
その中で代表的には、環状カーボネート、線状カーボネート、またはこれらの混合物であるカーボネート化合物を含み得る。
前記環状カーボネート化合物の具体的な例としては、エチレンカーボネート(ethylene carbonate,EC)、プロピレンカーボネート(propylene carbonate,PC)、1,2−ブチレンカーボネート、2,3−ブチレンカーボネート、1,2−ペンチレンカーボネート、2,3−ペンチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート及びこれらのハロゲン化物からなる群より選択されるいずれか一種、またはこれらの二種以上の混合物が挙げられる。これらのハロゲン化物としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(fluoroethylene carbonate,FEC)などがあり、これに限定されない。
また、前記線状カーボネート化合物の具体的な例としては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート及びエチルプロフィールカーボネートからなる群より選択されるいずれか一種またはこれらの二種以上の混合物などが代表的に使われ得るが、これらに限定されることではない。
特に、前記カーボネート系有機溶媒のうち、環状カーボネートであるエチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートは、高粘度の有機溶媒であって誘電率が高く、電解質内のリチウム塩をより容易に解離することができ、このような環状カーボネートにジメチルカーボネート及びジエチルカーボネートのような底粘度、低誘電率の線状カーボネートを適当な割合で混合して使えば、より高い電気伝導率を有する電解液に作ることができる。
また、前記有機溶媒のうち、エーテルとしては、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、メチルエチルエーテル、メチルプロピルエーテル及びエチルプロピルエーテルからなる群より選択されるいずれか一種、またはこれらの二種以上の混合物を使用することができるが、これらに限定されることではない。
そして、前記有機溶媒のうち、エステルとしては、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、σ−バレロラクトン及びε−カプロラクトンからなる群より選択されるいずれか一種、またはこれらの二種以上の混合物を使用することができるが、これらに限定されることではない。
前記非水電解液の注入は、最終製品の製造工程及び要求される物性に応じて、リチウム二次電池の製造工程中の適切な段階で行われ得る。すなわち、リチウム二次電池の組立ての前、またはリチウム二次電池の組立ての最終段階などに適用することができる。
本発明によるリチウム二次電池は、一般の工程である巻取(winding)の他、セパレーターと電極の積層(stack, lamination)、折り畳み(folding)及び積層/折り畳み工程が可能である。
そして、リチウム二次電池の外形は特に制限されないが、缶を用いた円筒状、角形、パウチ(pouch)型またはコイン(coin)型などにすることができる。
以下、本発明を具体的な実施例を挙げて詳述する。しかし、本発明による実施例は多くの他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が後述する実施例に限定されると解釈されてはならない。本発明の実施例は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
1.電極組立体の製造
(1)実施例1
電極接着層として、PVdF−HFP(Arkema社製、Kynar2751)とシリカナノ粒子(Degusa社製、Aerosil R805)とを98:2の重量比で混合した後、ヘンシェルミキサーで(Henschel mixer)で5分間混合して流動性を有する電極接着層パウダーを製造し、これをドラムに投入した。
その後、12μm厚さの多孔性ポリオレフィン基材(Toray社製、F12BMS)の縁部に、前記電極接着層パウダーを、2mmの幅となるようにレーザープリンティング方式で選択的に印刷(全体面積の4%)した後、70℃で90kgf/cm2でNMC系カソードと貼り合わせた。
同様の方式で、前記多孔性ポーリオレフィン基材の反対面にも同一のパターンを印刷した後、同一の貼り合わせ条件で黒鉛(graphite)系アノードを貼り合わせ、電極組立体を製造した。
(2)実施例2
500nm大きさの無機粒子であるAlOOH(Nabaltec社製、AOH60)を、分散制であるAD−S01(LG化学製)と97:3の重量比で混合した後、アセトン溶媒上でボールミル法で12時間混合して固形分20%程度のスラリーを製造した。
前記製造されたスラリーを12μm厚さの多孔性ポリオレフィン基材(Toray社製、F12BMS)に4μmの厚さで片面コーティングして多孔性コーティング層が形成された有/無機複合セパレーターを形成した。
その後、電極接着層として、PVdF−HFP(Arkema社,Kynar2751)とシリカナノ粒子(Degusa社製、Aerosil R805)を98:2の重量比で混合した後、ヘンシェルミキサーで5分間の混合して流動性を有する電極接着層パウダーを製造し、これをドラムに投入した。
続いて、前記有/無機複合セパレーターの多孔性コーティング層が形成された面の縁部に、前記電極接着層パウダーを、2mmの幅となるようにレーザープリンティング方式で選択的に印刷(全体面積の4%)した後、100℃で100kgf/cm2でNMC系カソードと貼り合わせた。
同様の方式で前記多孔性ポーリオレフィン基材の反対面にも同一のパターンを印刷した後、同一の貼り合わせ条件で黒鉛系アノードを貼り合わせ、電極組立体を製造した。
(3)実施例3
電極接着層パウダーを、間隔18mm、幅2mmの線形パターンで印刷(全体面積の10%)したことを除いては、実施例2と同様の方法で電極組立体を製造した。
(4)実施例4
カソード対面側には0.5mmの幅となるように、多孔性コーティング層の縁部に電極接着層パウダーを選択的に印刷し、アノード対面側には実施例3の場合と同一の線形パターンで印刷(全体面積の5.5%)したことを除いては、実施例2と同様の方法で電極組立体を製造した。
(5)比較例1
電極接着層パウダーを、0.4mmの幅となるよう、多孔性コーティング層の縁部に選択的に印刷(全体面積の0.8%)したことを除いては、実施例2と同一の方法で電極組立体を製造した。
しかし、前記電極組立体は、アノード対面側での接着力が不足で、その後の工程に進めることができなかった。
(6)比較例2
電極接着層パウダーを、間隔2mm、幅2mmの線形パターンで印刷(全体面積の50%)したことを除いては、実施例2と同様の方法で電極組立体を製造した。
2.電極組立体の抵抗測定の結果
電解液の注液後、完成したモノセルの抵抗の測定値を以下の表1に示した。 比較例2によって製造された電極組立体から完成したモノセルの場合、実施例によって製造された電極組立体から完成したモノセルの場合よりも、高い抵抗が形成されたことが分かる。
すなわち、比較例2のように、電極接着層が多量形成された場合は、リチウム二次電池の抵抗の上昇を誘発し、電池性能の劣化をもたらすことがある。
以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者であれば、本発明の本質的特性から逸脱しない範囲内で多様な修正及び変形が可能であろう。したがって、本発明に開示された実施例は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく説明するためのものであって、このような実施例によって本発明の技術思想の範囲が限定されることではない。本発明の保護範囲は、以下の請求範囲により解釈されるべきであり、それと同等な範囲内にある全ての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものに解釈せねばならない。


Claims (9)

  1. リチウム二次電池用セパレーターの製造方法であって、
    溶媒を使用せず、帯電させた高分子粒子を用いて、レーザープリンティングにより電極接着層を形成することを含んでなるものであり、
    (S1)多孔性高分子基材の少なくとも一面に無機物粒子を含む多孔性コーティング層を形成する段階と、
    (S2)高分子粒子を帯電させ、帯電された高分子粒子を形成する帯電段階と、
    (S3)前記帯電された高分子粒子を、前記多孔性コーティング層上に転写して電極接着層を形成し、前記電極接着層の形成面積が前記多孔性コーティング層の全体面積に対し1〜30%となるように形成する転写段階と、
    (S4)前記電極接着層を熱及び圧力で固定する定着段階とを含んでなる、リチウム二次電池用セパレーターの製造方法。
  2. 前記無機物粒子が、誘電率が5以上の無機物粒子、リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子及びこれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用セパレーターの製造方法。
  3. 前記無機物粒子の平均粒径が、0.001μm〜100μmであることを特徴とする、請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用セパレーターの製造方法。
  4. 前記多孔性コーティング層の厚さが、1μm〜100μmであることを特徴とする、請求項1〜3の何れか一項に記載のリチウム二次電池用セパレーターの製造方法。
  5. 前記電極接着層の厚さが、0.001μm〜5μmであることを特徴とする、請求項1〜4の何れか一項に記載のリチウム二次電池用セパレーターの製造方法。
  6. 前記電極接着層が、線形パターン、波形パターン、格子パターン及び不規則的なパターンからなる群より選択される少なくとも何れか一種のパターンで形成されることを特徴とする、請求項1〜5の何れか一項に記載のリチウム二次電池用セパレーターの製造方法。
  7. 前記多孔性コーティング層が、前記多孔性高分子基材の両面にそれぞれ形成されてなり、
    前記それぞれの多孔性コーティング層上に形成されるそれぞれの前記電極接着層が、互いに非対称的なパターンで形成されることを特徴とする、請求項1〜6の何れか一項に記載のリチウム二次電池用セパレーターの製造方法。
  8. 前記多孔性コーティング層が、前記多孔性高分子基材の両面にそれぞれ形成されてなり、
    前記それぞれの多孔性コーティング層上に形成されるそれぞれの前記電極接着層が、塗布量が互いに異なることを特徴とする、請求項1〜7の何れか一項に記載のリチウム二次電池用セパレーターの製造方法。
  9. 前記定着段階が、前記電極接着層を60〜180℃の温度で、1kgf/cm2〜300kgf/cm2の圧力で固定することを特徴とする、請求項1〜8の何れか一項に記載のリチウム二次電池用セパレーターの製造方法。
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