KR100615764B1 - 멜트브라운식 전지 격리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멜트브라운식 섬유의 균일한 습윤성 매트로 제조된 전지 격리판에 관한 것이다. 이 멜트브라운식 섬유는 서로 열 접합된 것이다. 이 섬유는 열가소성 재료로 제조되고 직경이 0.1 내지 13 마이크론(μ) 범위이며 길이가 12 mm 이상인 것이다. 매트는 기본 중량이 6 내지 160 g/㎡ 범위이고, 두께가 75 마이크론(μ) 이하이며, 평균 세공 크기가 0.3 내지 50 마이크론 범위인 것이다.
멜트브라운식 섬유, 매트, 전지, 격리판, 열가소성 재료

Description

멜트브라운식 전지 격리판{A MELT BLOWN BATTERY SEPARATOR}
본 발명은 열가소성 멜트브라운식 섬유의 균일한 습윤성 매트로 제조한 전지 격리판에 관한 것이다.
전지는 애노드(anode)와 캐쏘드(cathode), 이 애노드와 캐쏘드 사이에 중첩된 격리판 및 이 격리판을 함침시키고 애노드와 캐쏘드 사이에 이온 전달이 이루어지게 하는 전해질을 포함하는 전기화학적 기구이다. 각종 화학 재료 사이의 전기화학적 전위를 이용하여 전기를 발생시키는 각종 화학재에 대한 연구는 다수가 진행되었고 상용되고 있는 것도 있다. 일반적으로, 본 발명에 참고인용된 다음과 같은 문헌을 참조할 수 있다[Besenhard, J.O., Ed., Handbook of Battery Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Germany, 1999; 및 Linden, D., Ed., Handbook of Batteries, Second Edition, McGraw Hill Inc., New York, NY, 1995].
격리판은 전지의 중요한 소자이다. 이는 애노드와 캐쏘드 사이의 이격재로서 사용되어 애노드와 캐쏘드의 전자적 접촉을 방지하는 역할을 한다. 이 판은 애노드와 캐쏘드 사이에 이온 수송이 일어나기에 충분한 투과성이어야 하지만, 전극에서 분리되는 입자의 이동은 차단하는 세공을 갖고 있어야 한다. 또한, 격리판을 통한 수지상 돌기의 성장으로 나타나는 전지 내 단락 발생을 방지할 수 있는 강도 및/또 는 비틀림이 충분해야 한다. 또한, 전지 제조 과정을 견딜 수 있는 강도가 충분해야 한다. 이와 같은 강도는 어떤 경우에는 전지 제조 중에 거친 전극 표면에 의해 천공되지 않고 견딜 수 있는 능력인 천공 강도로 나타내고, 다른 어떤 경우에는, 전지의 물리적 구조를 수득하는데 필요한 팽팽한 권선을 견딜 수 있는 능력인 인장 강도로서 나타내기도 한다. 이 격리판은 또한 셀 내의 공간을 지나치게 많이 차지하지 않을 정도로 박막형이어야 한다. 따라서, 전지의 격리판으로서 사용할 수 있는, 튼튼하고 강인하며 박막형이고 투과성인 구조물이 요구되고 있다.
이러한 품질을 수득하기 위한 한 가지 구조물은 부직재 또는 부직포이다. 이의 예에 대해서는 본원에 참고인용되는 문헌[Besenhard, 상기 인용 문헌 참조, page 288 및 미국 특허 제5,605,549호; 제5,962,161호; 제6,120,939호 및 2000년 12월 20일에 출원된 미국 특허출원 일련번호 09/745,026호]을 참조하기 바란다. 부직재로는 광범위한 섬유성 구조물이 포함된다. 가장 일반적인 관례상 부직재에는 건식, 습식 또는 함기식(air laying), 니들펀칭식, 스펀본드식 또는 멜트브라운식 공정 및 고수압직조법(hydroentanglement) 등의 방법으로 제조한 섬유상 구조물이 포함된다. 멜트브라운식 부직재는 스펀본드식 부직재와 다르다. 스펀본드식 부직재는 용융된 중합체를 섬사(纖絲)로 압출시킨 뒤, 이 섬사를 연신시킨 다음, 이 섬사를 무한 벨트 위에 배치함으로써 제조하여 섬유 길이가 긴 부직재를 수득한다. 멜트브라운식 부직재는 용융된 중합체를 다이를 통해 압출시킨 뒤, 얻어지는 섬사를 고온의 고속 공기 또는 증기로 약화시켜 절단하여 제조하며, 그 결과 섬유 길이가 짧은 부직재가 얻어진다. 전지 격리판으로서의 멜트브라운식 부직재는 세공 크기의 분포 중에서 약간 적당한 크기의 세공을 갖고 있으나, 세공 크기의 분포를 확대하여, 이에 따라 상당히 부적당하게는 지나치게 큰 크기의 세공을 제공하여 인장 및 천공 강도를 불충분하게 하는 것으로 인식되고 있으며, 이 둘 다 유효 전지 격리판으로서의 용도를 제한하는 것이다.
가장 널리 시판되는 전지에 사용되고 있는 전해질은 수성(극성) 또는 유기(비극성) 용액일 수 있다. 전지는 가장 일반적으로 전해질 없이 조립되고, 그 이후에 전해질의 첨가에 의해 활성화되는 바, 격리판은 전해질에 의해 습윤성이어야 한다. "습윤성(wettability)" 또는 "함침(wet out)"이란 용어는 액체를 다른 재료의 표면 중으로 보다 용이하게 침투시키거나 또는 다른 재료의 표면 상으로 유포시키는 유발 능력을 의미한다. 친수성은 수성계 액체에 "함침"되는 능력을 의미한다. 소수성은 수성계 액체에 "함침"되지 못하는 무능력을 의미한다. 따라서, 가장 흔히 폴리올레핀으로 제조되는 부직포는 본래 폴리올레핀이 소수성이기 때문에 수성계 전해질에 함침되지 않을 것이다. 따라서, 이와 같은 부직재는 격리판이 수성 전해질로 함침되도록 하기 위해서 친수성화되어야 한다.
따라서, 당해 기술분야에서 요구되는 것은 전지 격리판으로서 사용하기 위한, 충분한 기계적 성질과 충분히 작은 세공을 가진 습윤성의 멜트브라운식 부직재 격리판이다.
발명의 개요
전지 격리판은 습윤성의 균일한 매트형의 멜트브라운식 섬유로 제조한다. 이 멜트브라운식 섬유는 서로 열접합된다. 이 섬유는 열가소성 재료로 제조한다. 섬유는 0.1 내지 13 마이크론(μ) 범위의 직경과 12 밀리미터(mm) 이상의 길이를 갖는 것이다. 매트는 기본 중량(g/㎡)이 1 평방미터(㎡)당 6 내지 160g 범위이고, 두께가 75 마이크론(μ) 이하이며, 평균 세공 크기가 0.3 내지 50 마이크론(μ)인 것이다.
발명의 상세한 설명
전지는 일반적으로 애노드, 캐쏘드, 격리판 및 전해질을 포함한다. 격리판은 애노드와 캐쏘드 사이에 위치한다. 전해질은 격리판을 통해 애노드와 캐쏘드 사이를 유체 전달 상태에 있게 한다. 본 발명은 모든 전지에 사용할 수 있지만, 알칼라인 전지 시스템과 리튬 전지 시스템에 사용하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 알칼라인 전지 시스템에 사용하는 것이다. 예를 들어, 알칼라인 전지 시스템으로는 니켈 카드뮴(NiCd) 시스템과 니켈 금속 수소화물(NiMH) 시스템이 있다. 또한, 전지는 1차 또는 2차 전지 시스템일 수 있다 [참조, 일반적으로, Besenhard, J.O., Ed., Handbook of Battery Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Germany, 1999; 및 Linden, D., Ed., Handbook of Batteries, Second Edition, McGraw Hill Inc., New York, NY, 1995, 이 두 문헌 모두 본원에 참고인용된 문헌임]. 이하, 본 발명을 바람직한 전지 시스템인 알칼라인 전지와 관련하여 상세히 설명할 것이다.
멜트브라운식 섬유 매트는 일반적으로 미세 섬유와 단섬유로 이루어진 웨브(web)를 의미한다. 미세 섬유는 직경이 2 내지 10 마이크론인 섬유를 의미하고, 단섬유는 길이가 12mm 이하인 섬유를 의미한다. 멜트브라운식 웨브의 기계적 취약성은 섬유가 짧다는 사실 때문인 것으로 추정된다. 그러나, 멜트브라운식 웨브 제조방법의 특성상, 즉 다이로부터 배출될 때 용융 열가소성 재료를 약화시키는 고속 유체류(예, 공기)의 사용으로 인해, 통상적으로 긴 섬유 길이를 얻는 것은 불가능하다. 섬유 길이는 12mm 이하로 제한된다.
본 발명은 기본 중량이 6 내지 160 g/㎡이고, 두께가 75 마이크론 이하이며, 평균 세공 크기(즉, 등가 직경)가 0.3 내지 50 마이크론인 멜트브라운식 섬유 매트를 이용한다. 섬유는 직경 범위가 0.1 내지 13 마이크론 사이이고, 이 섬유의 50%가 직경이 0.5 마이크론 미만이며, 거의 연속성인 길이, 예컨대 12mm 이상의 길이를 갖는 것이다. 이와 같은 매트는 본원에 참고인용된 문헌인 미국 특허 제5,679,379호 및 제6,114,017호에 기술된 방법에 따라 제조하고, 캘린더링할 수 있다. 기본 중량은 10 내지 35g/㎡ 범위이고, 두께는 12 내지 50 마이크론 범위일 수 있다. 평균 세공 크기는 1 내지 25 마이크론 범위일 수 있다. 섬유의 직경은 0.1 내지 5 마이크론 범위이고, 이 섬유의 85%는 직경이 0.5 마이크론 이하인 것이다.
섬유는 서로 열접합하여 일체화되며, 즉 일반적으로 멜트브라운식 웨브에서 비일체성을 유발하는 것으로 관찰되는 유의적인 샷(shot), 클럼프(clump), 꼬인 섬유 또는 섬유 다발을 보이지 않는다. 웨브는 바람직하게는 열가소성 중합체로 제조하는 것이 좋고; 바람직한 열가소성 중합체는 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 이의 배합물이다. 이러한 재료는 용융 유동 지수가 비교적 높은 것이 바람직하다.
멜트브라운식 웨브는 전해질에 함침되어야 한다. 멜트브라운식 웨브는 대부분 폴리올레핀과 같은 열가소성 중합체로 제조되기 때문에 수성계 전해질을 이용한는 전지 시스템에 사용하는 경우에는 친수성화 처리가 이루어져야 한다. 이러한 친수성화 처리 중 하나는 본원에 참고인용되는 미국 특허 제5,962,161호에 개시되어 있다. 하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 폴리올레핀의 친수성화 처리라면 무엇이든 사용할 수 있다. 폴리올레핀의 다른 친수성화 처리로는 계면활성제(또는 표면 활성 제제 또는 함침제) 코팅; 폴리올레핀과 상이한(즉, 양호한) 표면 활성 특성을 가진 중합체 코팅; 표면 활성화(예, 플라즈마 처리에 의해); 표면적을 증가시키는(예컨대, 표면 성형으로) 표면 조면(粗面)화; 및 다른 중합체와 폴리올레핀의 배합(이 배합으로 폴리올레핀과 다른(즉, 양호한) 표면 활성 특성을 갖게 되는 것임)을 포함한다. 전술한 예들은 일본 공개 번호 2-133608(1990.5.22 공개); 2-133607(1990.5.22); 3-55755(1991.3.11); 4-346825(1992.12.2); 5-106112(1993.4.17); 및 유럽특허 공개번호 981,172A1(2000.2.23); 498,414 A2(1992.8.12); 634,802 A1(1995.1.18); 및 203,459 A2(1986.12.3)에 예시되어 있다.
전술한 웨브는 또한 복합 구조물, 예컨대 다층 격리판에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 2 이상의 전술한 웨브를 함께 적층시켜 격리판의 총 두께를 증가시킬 수 있다. 전술한 웨브는 1 이상의 상이한 종류의 부직 웨브(예컨대, 스펀본드식 웨브)에 적층시켜, 예컨대 격리판의 강도를 증가시키거나 격리판의 압축성을 변화시킬 수 있다. 또한, 예컨대 격리판의 투과성을 변화시키거나 격리판에 셧다운 특징 을 부가(즉, 전극 사이의 이온 유동을 방지하기 위해서 세공을 차단시켜 격리판의 전기적 저항을 빠르게 증가시킬 수 있다)하여 격리판의 안전성을 증가시키기 위해 전술한 웨브를 막(예컨대, 미세세공성이거나 투과성인 막)에 적층시킬 수 있다.
멜트브라운식 웨브는 용융 유동 지수가 35인 멜트블로잉급의 폴리프로필렌 수지를 사용하여 미국 특허 제6,114,017호에 개시된 방법에 따라 제조하였다. 이와 같은 웨브는 통상적인 방식으로 측정되는 다음과 같은 특성을 갖고 있다.
표
실시예 기본 중량 섬유 직경 절단 하중
1 10.3 2.7 241
2 17.8 2.9 456
3 11.7 2.2 299
4 16.5 2.7 423
5 12.1 1.9 270
6 34.6 2.9 847
7 25.4 3.0 671
8 30.0 2.5 815
9 15.3 12.1 548
10 25.3 0.5 622
본 발명은 본 발명의 취지와 필수 구성요소들을 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있으며, 이에 따라 전술한 상세한 설명 보다 본 발명의 범위를 나타내는 첨부되는 청구의 범위를 참고해야 한다.

Claims (16)

  1. 멜트브라운식 섬유의 균일한 습윤성 매트를 포함하는 것으로서, 상기 섬유는 서로 열 접합되는 열가소성 재료로 제조되며, 직경은 0.1 내지 13 마이크론 범위이며 그 중의 50%의 섬유가 0.5 마이크론 이하의 직경을 가지며, 길이는 12mm 이상이며, 상기 매트의 기본 중량은 6 내지 160 g/㎡ 범위이고, 두께는 75 마이크론 이하이며, 평균 세공 크기는 0.3 내지 50 마이크론 범위인 것을 특징으로 하는 전지 격리판.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 열가소성 재료가 폴리올레핀인 것이 특징인 전지 격리판.
  4. 제3항에 있어서, 폴리올레핀이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 이의 배합물로 구성된 그룹 중에서 선택되는 것인 전지 격리판.
  5. 제1항에 있어서, 습윤성 매트가 추가로 친수성화 수단을 포함하는 것이 특징인 전지 격리판.
  6. 제1항에 있어서, 섬유가 직경이 0.1 내지 5 마이크론 범위이고, 이 섬유의 85%가 0.5 마이크론 이하의 직경을 갖는 것인 전지 격리판.
  7. 제1항에 있어서, 매트가 기본 중량이 10 내지 35 g/㎡ 범위인 것인 전지 격리판.
  8. 한 층이 제1항에 기재된 멜트브라운식 섬유의 매트인 다층 전지 격리판.
  9. 애노드(anode), 캐쏘드(cathode), 상기 애노드와 캐쏘드 사이에 적층된 격리판, 및 상기 격리판에 함침되어 상기 애노드와 캐쏘드를 이온 전달 상태에 있게 하는 전해질을 포함하는 것으로서, 상기 격리판이 멜트브라운식 섬유의 균일한 매트를 추가적으로 포함하고, 상기 섬유는 서로 열접합되는 열가소성 재료로 제조되며, 직경은 0.1 내지 13 마이크론 범위이며 그 중의 50%의 섬유가 0.5 마이크론 이하의 직경을 가지며, 길이는 12mm 이상이며, 상기 매트의 기본 중량은 6 내지 160 g/㎡ 범위이고, 두께는 75 마이크론 이하이며, 평균 세공 크기는 0.3 내지 50 마이크론 범위인 것을 특징으로 하는 전지.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서, 열가소성 재료가 폴리올레핀인 것이 특징인 전지.
  12. 제11항에 있어서, 폴리올레핀이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 이의 배합물로 구성된 그룹 중에서 선택되는 것인 전지.
  13. 제9항에 있어서, 습윤성 매트가 추가로 친수성화 수단을 포함하는 것이 특징인 전지.
  14. 제9항에 있어서, 섬유가 직경이 0.1 내지 5 마이크론 범위이고, 이 섬유의 85%가 0.5 마이크론 이하의 직경을 갖는 것인 전지.
  15. 제9항에 있어서, 매트가 기본 중량이 10 내지 35 g/㎡ 범위인 것인 전지.
  16. 제9항에 있어서, 격리판이, 한 층이 제9항에 기재된 멜트브라운식 섬유의 매트인 다층 격리판을 추가로 포함하는 것이 특징인 전지.
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