KR100530350B1 - The lithium ion secondary battery comprising 2-side coating type of separator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 전해질로 양면 코팅된 분리막, 양극과 음극을 권취한 리튬 이온 이차 전지를 제공한다. 본 발명에 따른 전지는 전지의 안전성이 확보된다.The present invention provides a separator coated with a polymer electrolyte, a lithium ion secondary battery wound the positive electrode and the negative electrode. The battery according to the present invention ensures the safety of the battery.
Description
본 발명은 고분자 전해질로 양면 코팅된 분리막, 양극과 음극을 권취한 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a separator coated with a polymer electrolyte, a lithium ion secondary battery wound the positive electrode and the negative electrode.
리튬 이온 이차 전지의 안전성을 확보하기 위해, 권취형 전지 제조 시 고분자 전해질을 전극에 코팅하는 기술이 일반화되어 있다. 고분자 전해질로 전극을 코팅하면 전해액 누액 등이 방지되고 고분자 전해질이 추가적인 분리막 역할을 하여 쇼트 발생 확률을 감소시켜 준다.In order to secure safety of a lithium ion secondary battery, a technique of coating a polymer electrolyte on an electrode when manufacturing a wound battery has been generalized. Coating the electrode with a polymer electrolyte prevents leakage of the electrolyte and the polymer electrolyte acts as an additional separator to reduce the probability of short generation.
그러나, 전극을 코팅하는 방식은 양극, 음극 중 한 전극의 표면에 고분자 전해질을 코팅시켜 안전성을 확보하는 차원에 머물러 있다. 이러한 방식을 적용할 경우 고분자 전해질이 코팅된 전극의 보관 및 제조 공정에서 고분자 전해질의 점착성을 감안해야 하므로 공정의 복잡성을 초래하게 된다.However, the method of coating the electrode remains to secure the safety by coating the polymer electrolyte on the surface of one of the positive electrode and the negative electrode. When applying this method, the adhesiveness of the polymer electrolyte should be taken into account in the storage and manufacturing process of the electrode coated with the polymer electrolyte, resulting in the complexity of the process.
따라서, 본 발명자는 전극을 고분자 전해질로 코팅한 경우의 상기 문제점을 인식하고, 분리막을 고분자 전해질로 양면코팅하여 양극과 음극 모두 고분자 전해질과 맞닿도록 권취형 전지를 구성함으로써 전지 안전성 향상을 이루고자 한다.Accordingly, the present inventors recognize the above problems when the electrode is coated with a polymer electrolyte, and attempt to achieve improved battery safety by constructing a wound battery such that both the positive electrode and the negative electrode contact the polymer electrolyte by double-coating the separator with the polymer electrolyte.
본 발명은 양극, 고분자 전해질로 양면 코팅된 분리막, 음극, 고분자 전해질로 양면 코팅된 분리막을 적층시키고 권취한 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.The present invention provides a lithium ion secondary battery in which a cathode, a membrane coated on both sides with a polymer electrolyte, a cathode, a membrane coated on both sides with a polymer electrolyte, and laminated.
본 발명은 권취형 리튬 이온 이차 전지에 고분자 전해질로 양면 코팅된 분리막을 사용하는 것을 특징으로 한다. 여기서 고분자 전해질은 분리막과 일체형이다. 또, 본 발명에 따라 고분자 전해질로 코팅된 분리막은 전해액을 함침할 수 있다.The present invention is characterized by using a separator coated on both sides with a polymer electrolyte in a wound lithium ion secondary battery. Here, the polymer electrolyte is integral with the separator. In addition, the separator coated with a polymer electrolyte according to the present invention may be impregnated with the electrolyte.
고분자 전해질로 전극을 코팅한 종래 기술과 달리, 고분자 전해질로 분리막을 코팅한 본 발명은 고분자 전해질로 인해 분리막의 점착성 문제를 야기하지 않는다. 한편, 공정상 권심의 오염이 우려될 수 있으나 권심 표면 처리로 문제 해결 가능하다. 또, 고분자 전해질과 분리막은 제조 공법 상 2상으로 존재하지만 이상적인 경우는 1상으로 존재하는 것이므로, 고분자 전해질에 의한 분리막 오염 문제는 없다.Unlike the prior art in which the electrode is coated with a polymer electrolyte, the present invention, in which the separator is coated with a polymer electrolyte, does not cause a problem of adhesion of the separator due to the polymer electrolyte. On the other hand, contamination of the core in the process may be concerned, but the problem can be solved by the core surface treatment. In addition, since the polymer electrolyte and the separator exist in two phases in the manufacturing process, the ideal case exists in one phase, so there is no problem of membrane contamination by the polymer electrolyte.
고분자 전해질로 양면 코팅된 분리막은 고분자 전해질 용액을 분리막에 도포한 후 건조로 용매를 제거하여 준비할 수 있다. 고분자 전해질의 코팅량은 1m*1m의 면적 당 0.1 내지 10g 이 바람직하다. The membrane coated with a polymer electrolyte may be prepared by applying a polymer electrolyte solution to the separator and then removing the solvent by drying. The coating amount of the polymer electrolyte is preferably 0.1 to 10 g per 1 m * 1 m area.
분리막으로는 범용으로 사용되는 물질 또는 그 조합의 사용이 가능하고, 바람직하게는 폴리올레핀 계열의 분리막을 사용할 수 있다.As the separator, a material used in a general purpose or a combination thereof may be used, and a separator of a polyolefin series may be preferably used.
고분자 전해질은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리비닐리덴플루오라이드-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체 등, 리튬 이온 폴리머 전지 또는 리튬 폴리머 전지에서 사용되는 범용 고분자 전해질 및 그 조합이 모두 사용가능하다. 고분자 전해질 용액은 상기 고분자 전해질을 용매에 용해시킨 것으로, 용매로는 알코올 및 케톤 계열(예, 아세톤)이 있으며, 일반적인 전해액을 용매로 사용할 수 있다. 사용가능한 전해액의 비제한적인 예로는 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 에틸메틸 카보네이트(EMC) 등의 용매 또는 이들의 혼합물이 있다. The polymer electrolyte may be a lithium ion polymer battery or a lithium polymer battery such as polyvinylidene fluoride (PVdF), polymethyl methacrylate (PMMA), polyethylene glycol (PEG), polyvinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer All general purpose polymer electrolytes used in the present invention and combinations thereof can be used. The polymer electrolyte solution is obtained by dissolving the polymer electrolyte in a solvent. Examples of the solvent include alcohols and ketones (eg, acetone), and a general electrolyte may be used as a solvent. Non-limiting examples of usable electrolytes include solvents such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethylmethyl carbonate (EMC), or mixtures thereof.
코팅 방법으로는 다이 코터를 이용하여 용매에 용해된 고분자 전해질을 분리막에 코팅할 수 있다.As a coating method, the separator may be coated with a polymer electrolyte dissolved in a solvent using a die coater.
분리막에 고분자 전해질 코팅시 필요에 따라 패턴을 주어 분리막 위에 코팅된 고분자 전해질을 부분적으로 없애 고분자 전해질의 면적 및 양을 조절할 수 있다. 또, 패턴을 주는 이유는 전해액 함침을 쉽게 하기 위해서이다. 패턴은 코팅 시 다이의 탈착을 조절하여 제공할 수 있다.When the polymer electrolyte is coated on the separator, a pattern may be given as necessary to partially remove the polymer electrolyte coated on the separator, thereby controlling the area and amount of the polymer electrolyte. Moreover, the reason for giving a pattern is to make electrolyte solution impregnation easy. The pattern can be provided by controlling the detachment of the die during coating.
본 발명에 따른 권취형 리튬 이온 이차 전지는 양극, 고분자 전해질로 양면 코팅된 분리막, 음극, 상기 분리막을 적층하고 권취한 것으로, 양극과 음극 모두가 고분자 전해질과 맞닿아 전지 안전성이 향상될 수 있다. 여기서, 분리막에 코팅된 고분자 전해질은 전해액을 머금을 수 있어 전해액 누액을 방지하고, 고분자 전해질이 추가적인 분리막 역할을 하여 쇼트 발생 확률을 감소시켜 준다.The wound lithium ion secondary battery according to the present invention is a positive electrode, a separator coated on both sides with a polymer electrolyte, a negative electrode, and laminated by winding the separator, both of the positive electrode and the negative electrode may be in contact with the polymer electrolyte may improve battery safety. Here, the polymer electrolyte coated on the separator can contain the electrolyte solution to prevent leakage of the electrolyte, and the polymer electrolyte acts as an additional separator to reduce the probability of short generation.
양극으로 양극 활물질, 도전재, 바인더로 이루어진 코팅층과 알루미늄 호일로 이루어진 극판을 사용할 수 있으며, 음극으로 음극 활물질, 도전재, 바인더로 이루어진 코팅층과 구리 호일로 이루어진 극판을 사용할 수 있다.As the positive electrode, a positive electrode active material, a conductive material, a coating layer made of a binder and an electrode plate made of aluminum foil may be used, and the negative electrode active material, a conductive layer, a coating layer made of a binder and a electrode plate made of copper foil may be used.
전극 활물질, 도전재, 바인더 물질로는 범용으로 사용되는 물질 또는 그 조합이 사용가능하다.As the electrode active material, the conductive material, and the binder material, a material used in general or a combination thereof may be used.
양극 활물질의 비제한적인 예로 리튬 코발트 옥사이드, 리튬 망간 옥사이드, 리튬 니켈 옥사이드, 리튬 바나듐 옥사이드 등의 범용 활물질과 그 혼합물이 있으며, 음극 활물질의 비제한적인 예로 리튬 메탈, 인조 흑연계 그라파이트, 천연 흑연 등의 물질과 그 혼합물이 있다. 바인더의 비제한적인 예로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF) 호모폴리머 및 스티렌부타디엔러버(SBR) 및 그 혼합물이 있으며, 활물질 용매로는 NMP 및 물 등의 극성 용매를 사용할 수 있다.Non-limiting examples of the positive electrode active material include a general-purpose active material such as lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel oxide, lithium vanadium oxide and mixtures thereof. Non-limiting examples of the negative electrode active material is lithium metal, artificial graphite-based graphite, natural graphite, etc. There is a substance and its mixture. Non-limiting examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) homopolymer and styrene butadiene rubber (SBR) and mixtures thereof, and polar solvents such as NMP and water may be used as the active material solvent.
권취 전, 권취 작업 중, 또는 권취된 롤은 열 및 압력 외력을 가해주면 두께를 조절할 수 있다. 분리막이 손상받지 않는 범위 내에서 열을 많이 가할수록, 쇼트가 발생하지 않는 범위 내에서 압력과 시간을 조절하여 두께를 조절함으로써 코팅된 고분자 전해질과 전극간의 밀착성을 균일하게 향상시킬 수 있다. 두께 조절을 위한 온도는 50 ~ 200 ℃, 압력은 50~500kgf, 시간은 30분 이내의 조건에서 양산성을 고려하여 정한다. 상기 온도, 압력, 시간의 범위는 전극 및 분리막 손상을 방지하기 위함이다. Before winding, during winding, or the rolled roll, the thickness can be adjusted by applying heat and pressure external forces. As more heat is applied within the range where the separator is not damaged, the adhesion between the coated polymer electrolyte and the electrode may be uniformly improved by controlling the thickness by adjusting the pressure and time within the range where the short does not occur. The temperature for the thickness control is 50 ~ 200 ℃, the pressure is 50 ~ 500kgf, the time is determined in consideration of mass productivity within 30 minutes. The temperature, pressure, and time range are for preventing electrode and separator damage.
고분자 전해질로 분리막을 코팅하고 권취시킨 롤에 70℃, 200kgf, 1분 간 외력을 가해 두께 변경시켜 제조된 전지의 방전 특성이 표 1 및 2에 나타나 있다.Table 1 and 2 show the discharge characteristics of a battery prepared by coating the separator with a polymer electrolyte and changing the thickness by applying an external force at 70 ° C., 200 kgf for 1 minute.
방전 효율: 공칭용량을 100으로 보았을 때 1시간 안에 방전 한 용량의 퍼센트 비율Discharge Efficiency: Percentage of Discharge Capacity in One Hour at 100 Nominal Capacity
상기 표 1 및 2에서 알 수 있는 바와 같이, 전극과 고분자 층을 밀착시킬수록 두께가 얇게 되고, 밀착된 전지 내부 구조를 갖을수록 방전 효율이 향상된다.As can be seen in Tables 1 and 2, the closer the electrode and the polymer layer are in contact with each other, the thinner the thickness becomes, and the closer the internal structure of the battery is, the better the discharge efficiency is.
이하의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the examples are for illustrating the present invention and the present invention is not limited by the following examples.
[실시예] EXAMPLE
실시예 1Example 1
(양극 제조)(Anode manufacturing)
리튬코발트옥사이드(LiCoO2): 카본블랙: 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 1-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 분산시켜 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 알루미늄 호일의 양면에 코팅하고, 충분히 건조시킨 후, 프레싱하여 양극을 제조하였다.Lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ): Carbon black: Polyvinylidene fluoride (PVDF) is dispersed in 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a slurry, and the slurry is coated on both sides of the aluminum foil. And sufficiently dried, followed by pressing to prepare a positive electrode.
(음극 제조)(Cathode production)
그라파이트: 아세틸렌 블랙: PVDF를 NMP에 분산시켜 슬러리를 제조한 후, 이 슬러리를 구리 호일의 양면에 코팅하고, 충분히 건조시킨 후, 프레싱하여 음극을 제조하였다.Graphite: Acetylene Black: PVDF was dispersed in NMP to prepare a slurry, and the slurry was coated on both sides of the copper foil, sufficiently dried, and then pressed to prepare a negative electrode.
(고분자 전해질 코팅 분리막의 제조)(Production of Polymer Electrolyte Coating Separator)
분리막으로는 폴리에틸렌을, 겔화 고분자 전해질 층으로는 폴리비닐리덴플루오라이드-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체를 사용하여, 아세톤에 용해된 고분자 전해질을 다이 코터로 분리막에 양면코팅하고 나서, 건조하여 용매를 제거하여 분리막 위에 겔화 고분자 층을 형성시켰다. 이때, 권심 오염을 방지하기 위해 분리막에 패턴을 주어 코팅하여 권심과 닿는 부분은 고분자 전해질 층이 없도록 하였다. 이때 고분자 코팅량은 1m*1m의 면적에 0.1g 이다. Using polyethylene as a separator and polyvinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer as a gelling polymer electrolyte layer, the polymer electrolyte dissolved in acetone was coated on both sides of the separator with a die coater, and then dried to obtain a solvent. It was removed to form a gelling polymer layer on the separator. At this time, in order to prevent core contamination, the membrane was coated with a pattern so that the portion contacting the core was free of the polymer electrolyte layer. At this time, the polymer coating amount is 0.1g in the area of 1m * 1m.
(전지 제조)(Battery manufacturing)
상기에서 제조된 전극과 분리막을 양극(음극) / 양면 코팅된 분리막 / 음극(양극) / 양면 코팅된 분리막 으로 정렬시킨 후 권취를 실시하였다. 권취 실시한 후 5분 동안 70 ℃의 열, 압력 200kgf의 외력을 가해 전극과 코팅된 고분자 층 간의 밀착성을 향상시킨 롤을 제조하였다.The electrode and the separator prepared above were aligned with a cathode (cathode) / a double coated membrane / a cathode (anode) / a double coated membrane and then wound. After the winding was carried out, a roll was applied to improve the adhesion between the electrode and the coated polymer layer by applying an external force of 70 ° C. and a pressure of 200 kgf for 5 minutes.
제조된 롤을 알루미늄 라미네이트 포장재에 넣고 액체 전해질로 EC/PC=1/1, 1M LiPF6을 주입하고 포장하였다.The prepared roll was put in an aluminum laminate packaging material, and EC / PC = 1/1, 1M LiPF 6 was injected into the liquid electrolyte and packed.
실시예 2Example 2
실시예 1과 동일하며 고분자 전해질 코팅량을 1m*1m 당 1g으로 하였다.As in Example 1, the polymer electrolyte coating amount was 1g per 1m * 1m.
실시예 3Example 3
실시예 1과 동일하며 고분자 전해질 코팅량을 1m*1m 당 10g으로 하였다.As in Example 1, the polymer electrolyte coating amount was 10g per 1m * 1m.
비교예 1Comparative Example 1
고분자 전해질로 코팅을 하지 않은 분리막을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.A battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a separator not coated with a polymer electrolyte was used.
<안정성 실험><Stability Experiment>
실시예 1 내지 3의 전지와 비교예 1의 전지의 안전성을 실험한 결과를 표 3에 나타내었다. 직경 4mm의 못을 전지에 통과시켜 발화 및 연기 발생을 점검하는 네일실험(nail test)을 실시하였다.Table 3 shows the results of experiments on the safety of the batteries of Examples 1 to 3 and the batteries of Comparative Example 1. A nail test was performed to check the occurrence of ignition and smoke by passing a nail having a diameter of 4 mm through the battery.
O : 발생, X : 비 발생O: Occurrence, X: Non Occurrence
표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 실험 결과 분리막에 고분자 전해질을 코팅하여 양극과 음극 모두 고분자 전해질 층과 맞닿도록 한 경우 안전성에 유리함을 확인할 수 있다.As can be seen in Table 3, it can be seen that the safety of the test results when the polymer electrolyte is coated on the separator so that both the positive electrode and the negative electrode contact the polymer electrolyte layer.
종래 전극 위에 고분자 전해질을 코팅하고 권취하는 방식의 전지는 전극 위에 고분자 전해질 층을 코팅해야 하므로 전극의 코팅 오차와 고분자 전해질 층의 코팅 오차 등이 합쳐져서 전지의 균일성 확보 차원에서 제조 공정 진행에 많은 제약이 따른다.In the conventional method of coating and winding the polymer electrolyte on the electrode, the polymer electrolyte layer must be coated on the electrode. Therefore, the coating error of the electrode and the coating error of the polymer electrolyte layer are combined to restrict the process of manufacturing in order to secure the uniformity of the battery. This follows.
그러나, 본 발명은 분리막에 고분자 전해질을 코팅하여 일체형 분리막을 만든 후 권취하는 제조 방식으로 공정 구성 상 단순함을 확보할 수 있어서 양산성이 크다. 또한 양극과 음극에 모두 고분자 전해질이 존재하여 안전성을 확보할 수 있다. However, the present invention has a high mass productivity since it is possible to ensure the simplicity in the process configuration by the manufacturing method of coating the polymer electrolyte on the separator to make an integral separator and then wound up. In addition, the polymer electrolyte is present in both the positive electrode and the negative electrode to ensure safety.
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