KR100699120B1 - 감소된 분열 성향을 지닌 배터리 격리판 - Google Patents

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Abstract

배터리 격리판 제조에 유용한 내분열성의 미세다공성 막이 제공됨. 미세다공성 막은 가로방향의 인장 강도:기계 방향의 인장 강도 비가 약 0.12 내지 약 1.2, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 1이다. 미세다공성 막은 취입 필름(blown film)을 적어도 1.5의 블로우-업(blow-up) 비로 압출시켜 필름 전구체를 제조하고, 필름 전구체를 어닐링한 다음, 어닐링된 필름 전구체를 신장시켜 미세다공성 막을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조된다.
적어도 1.5의 블로우-업 비, 미세다공성 막

Description

감소된 분열 성향을 지닌 배터리 격리판{BATTERY SEPARATORS WITH REDUCED SPLITTING PROPENSITY}
기술 분야
본 발명은 배터리 격리판, 특히 분열성이 감소된 배터리 격리판과 이의 제조방법에 관한 것이다.
발명의 배경
미세다공성 필름 배터리 격리판은 각종 배터리, 특히 재충전성 배터리, 예를 들면 리튬 배터리에 사용된다. 이러한 배터리 격리판은 전해질은 배터리 격리판을 가로질러 전도시키지만 반대 극성을 갖는 전극간의 접촉은 차단시킨다. 전형적으로, 미세다공성 필름은 1개이상의 미세다공성 막 층을 포함한다.
리튬 배터리, 특히 2차 리튬 배터리에서는, 과열 문제가 발생하여 배터리에서 열 손실을 초래할 수 있다. 이에 따라, 열 손실을 막기 위해 단층 셧다운 격리판과 다중층 격리판을 포함한 셧다운 배터리가 개발되었다. 미국 특허 4,650,730과 미국 특허 4,731,304를 참고하라. 셧다운 배터리 격리판은 리튬 배터리에서 열 손실을 초래할 수 있는 온도보다 실질적으로 낮은 온도에서 세공을 폐쇄하는 미세다공성 막을 가진다. 다중층 셧다운 격리판은 당업계에 공지되어있고 예를 들면 미국 특허 5,565,281과 5,691,077, 일본 특허 출원 JP7-304110A와 JP8-250097A, 및 영국 특허 공개 GB 2,298,817에 기재되어있다. 전형적으로, 다중층 셧다운 격리판은 1 이상의 셧다운층과 적어도 하나의 강도층(strength layer)을 포함한다. 셧다운층 또는 층들은 강도층의 용해점 이하의 온도(셧다운 온도)에서 세공을 용해시켜 세공을 메울 수 있다. 그 결과, 세공이 셧다운 온도에서 셧다운층에서 제거될 때, 강도층은 실질적으로 치수 안정성을 보유하여 단락(short circuit)시에도 격리판의 원상태 모습이 유지되고 전극간의 이온 흐름은 차단된다.
미세다공성 셧다운 격리판은 이 격리판이 배터리에서 차지하는 공간이 최소이며 전기 분해 저항을 감소시키도록 얇아야 하나, 그점에도 불구하고 미세다공성 셧다운 격리판은 또한 파열에 견디기에 충분한 강도를 가져야 한다. 당업계에 공지된 다수의 얇은 배터리 격리판에서 종종 직면하게 되는 한가지 문제점은 파열로 인한 분열, 즉 인열성이다. 이로 인해 특히 배터리 격리판의 제조 공정시에 격리판을 취급하기가 어려워진다. 인열된 격리판은 전극의 직접적인 접촉을 막는데 불완전할 뿐만 아니라 열 손실을 막는데도 효과적이지 못하다. 따라서, 당업계에서는 내분열성 배터리 격리판의 개발을 시급히 요구하고 있다.
발명의 요약
본 발명은 배터리 격리판의 제조에 유용한 내분열성의 미세다공성 막을 제공한다. 미세다공성 막은 취입 필름을 적어도 1.5의 블로우-업 비로 압출시켜 필름 전구체를 제조하고, 필름 전구체를 어닐링한 다음, 어닐링된 필름 전구체를 신장시켜 미세다공성 막을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조된다.
일반적으로, 취입 필름 압출 공정시에, 폴리머 필름 전구체는 결정상의 줄 구조를 나타내고, 여기서 라멜라가 인취 방향(기계 방향 또는 MD)에 수직인 장축을 따라 여러개의 줄로 배열된다. 이러한 결정상 구조는 후속 어닐링과 신장 단계에서 세공을 형성하는 데에 중요하다. 취입 필름이 가로 방향으로 팽창하게 되면 이러한 결정상 구조가 파괴되어 후속 신장 단계에서 세공을 형성하는 데에 불리한 영향을 미친다는 것이 일반적으로 공지된 것이나, 압출된 필름 전구체가 블로우-업 비의 증가로 인해 가로 방향(TD)으로 크게 팽창할 시에도, 생성된 필름 전구체는 후속 어닐링과 신장 작업에 여전히 적당하고 세공이 형성될 수 있음이 밝혀졌다.
압출 공정에 사용된 블로우-업 비가 적어도 1.5일 때, 미세다공성 막은 개선된 내분열성을 보이는 것으로 밝혀졌다. 블로우-업 비가 증가할수록, 취입 필름은 점차적으로 가로 방향(TD)으로, 즉, 기계 방향(MD)에 대해 수직인 방향으로 배향된다. 그 결과, 취입 필름의 가로 방향의 인장 강도가 증가하게 된다. 본 발명에 따르면, 배터리 격리판용 미세다공성 필름 전구체는 전형적으로 거의 기계 방향으로 배향된다. 이에 따라, 블로우-업 비가 증가할수록, 가로 방향과 기계 방향에서 인장 강도 차는 가로 방향으로의 추가 신장 단계가 없어도 감소된다. 그 결과, 생성된 미세다공성 필름은 분열성이 감소된다.
본 발명의 미세다공성 필름은 내분열성이 상당히 개선되며 배터리 격리판의 용도에 필요한 기타의 기계적 성질을 보유한다.
전형적으로, 본 발명의 미세다공성 필름은 폴리올레핀, 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 코폴리머, 테르폴리머 및 이들의 유도체로 제조된다. 블로우-업 비는 적어도 약 1.5, 바람직하게는 적어도 약 2.0, 좀더 바람직하게는 적어도 약 2.5이다. 미세다공성 필름의 가로방향의 인장 강도: 기계방향의 인장 강도 비는 약 0.1 내지 약 1.0, 바람직하게는 약 0.12 내지 약 1.0, 좀더 바람직하게는 약 0.5 내지 약 1.0이다. 전형적으로, 필름은 ASTM-D726(B)법으로 측정하였을 때 걸리(Gurley)값이 약 5초 내지 약 100초, 바람직하게는 약 10초 내지 약 60초이고, 셧다운 온도가 약 80℃ 내지 약 160℃, 바람직하게는 약 90℃ 내지 약 130℃, 좀더 바람직하게는 약 100℃ 내지 약 120℃이다. 필름의 가로방향의 인열 강도는 ASTM D-1004법으로 측정시 적어도 약 40 kgf/㎠, 바람직하게는 적어도 약 50 kgf/㎠, 좀더 바람직하게는 적어도 약 60 kgf/㎠, 더욱더 바람직하게는 적어도 약 70 kgf/㎠, 가장 바람직하게는 적어도 약 80 kgf/㎠이다.
본 발명의 바람직한 양태에서, 다중층 셧다운 배터리 격리판은 1 이상의 미세다공성 셧다운층을 지니도록 되어 있어 각각은 두 미세다공성 강도층 사이에 샌드위칭되어있다. 본 발명의 미세다공성 막은 다중층 배터리 격리판에서 적어도 하나의 미세다공성 층으로 사용된다.
본 발명의 다중층 셧다운 격리판에서, 격리판의 여러개의 층은 다중층 격리판을 형성하기 위해 별도로 제조된 다음에 함께 라미네이팅될 수 있다. 임의로는, 크로스-플라이 격리판이 제공될 수 있으며 여기서 미세다공성 막은 일 플라이의 축이 또다른 플라이의 축에 대해 각이 지게 엇갈려 있도록 (바람직하게는 직각이도록) 라미네이팅된다. 일반적으로, 크로스-플라이 미세다공성 막 격리판은 증가된 강도와 내파열성을 나타낸다.
달리, 셧다운 배터리 격리판의 복수 층은 동시-압출 공정에 의해 제조될 수 있으며, 모든 층은 함께 압출되어 후속 어닐링 및 신장되어 다중층 격리판을 형성한다.
본 발명의 배터리 격리판은 실질적으로 증가된 내분열성을 나타내어, 격리판 생성 공정과 격리판을 이용하는 리튬 배터리의 제조공정 동안 격리판의 취급을 좀더 용이하게 해준다. 그러나, 배터리 격리판의 제조를 위해 추가 성분들이 폴리머 수지에 첨가되지는 않는다. 부가적으로, 필름 전구체가 취입 필름 압출 공정에서 압출될 때 가로 방향의 배향이 생긴다. 별도의 단계는 필요치 않다. 이에 따라, 본 발명은 부가적인 물질과 복잡한 단계를 요구하지 않으면서 배터리 격리판에 실질적으로 개선된 기계적 성질을 제공한다.
본 발명의 상기와 기타 이점, 특성, 및 달성 방법은 바람직하고 전형적인 양태를 설명하는 첨부된 실시예와 함께 본 발명의 하기 상세한 설명을 고려하면 좀더 쉽게 이해될 것이다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 배터리 격리판은 개선된 내분열성을 지닌 미세다공성 막을 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "미세다공성"이란 막의 평균 세공 크기가 보통 약 0.005 내지 약 10 마이크론, 바람직하게는 약 0.01 내지 약 5 마이크론, 가장 바람직하게는 약 0.05 내지 약 2 마이크론이며, 세공이 약 5초 내지 약 100초, 바람직하게는 약 10초 내지 약 60초의 걸리값(ASTM-D726(B)법으로 측정시)인 것을 말한다.
본 발명의 미세다공성 막은 a) 적어도 1.5의 블로우-업 비로 취입 필름을 압출시켜 막 전구체를 제조하고; b) 막 전구체를 어닐링한 다음; c) 어닐링된 막 전구체를 신장시켜 미세다공성 막을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조된다. 취입필름의 압출단계, 어닐링단계, 및 신장단계를 포함하는 배터리 격리판용 미세다공성 막의 제조방법은 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 5,565,281과 5,691,077에 기재되어있다. 전형적으로, 이들 방법에서, 막 전구체는 약 1의 블로우-업 비로 작동된 취입 필름 압출 공정에 의해 압출된다. 즉, 압출된 관형 필름이 반경방향으로는 팽창하지는 않는다. 막 전구체는 어닐링되고, 기계 방향으로 단축 신장되어 미세다공성 막을 형성한다. 그러나, 본 발명 방법의 특별한 점은 취입 필름 압출 단계에서 블로우-업 비가 적어도 약 1.5, 바람직하게는 적어도 약 2.0이어야 한다는 점이다. 압출 공정에서 블로우-업 비가 적어도 1.5로 증가될 때, 생성된 미세다공성 필름의 내분열성이 상당한 정도로 개선되어 짐이 밝혀졌다. 이러한 개선점은 가로방향의 인장강도가 증가되어, 미세다공성 막은 가로방향의 기계적 성질 및 세로방향의 기계적 성질이 보다 균등하게 되기 때문인 것으로 여겨지나, 특정 이론에 구애받는 것은 아니다. 그러나, 전형적으로 본 발명에 사용된 압출 공정에서 블로우-업 비가 예를 들어 20 이상으로 너무 높지는 않아야 한다. 블로우-업 비가 너무 높으면, 취입 필름 압출동안 형성된 관형 필름의 안정성이 악화된다.
본원에서 사용된 용어 "취입 필름 방법" 또는 "취입 필름 압출"은 용해된 폴리머를 환형상 다이에서 관형 필름(또는 파리손)(이는 다이로부터 뽑아져 나옴)으로 압출시킨 다음, 닙 롤 따위를 이용하여 압연시키거나 편평하게 하는 폴리머 압출 공정을 말한다. 관형 필름이 형성되면, 공기와 같은 유체가 관형 필름상으로 연속적으로 주입된다. 이에 따라, 관형 필름 내부 및 다이와 닙 롤 사이에 기포가 갖히게 된다. 부가적으로, 관형 필름이 다이로부터 인출될 때, 공기는 필름 외부 표면 주위로 주입되어 외부로부터 관형 필름을 안정화 및 냉각시킨다. 당업계에 공지된 다수의 통상적인 취입 필름 방법을 적절하게 변형시키어 본 발명에 사용하면 본 발명의 블로우-업 비의 요건이 충족될 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "블로우-업 비"는 관형 취입 필름의 최대 직경과 다이 직경의 비를 의미한다.
배터리 격리판의 제조에 적당한 필름-형성 폴리머가 본 발명의 미세다공성 막을 제조하는 데 사용될 수 있다. 이러한 폴리머의 예로는 폴리올레핀, 폴리술폰, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌-폴리스티렌 코폴리머, 폴리아미드, 폴리페닐렌옥사이드-폴리스티렌 코 , 폴리카보네이트 등에 기초한 폴리머, 코폴리머 및 테르폴리머가 포함되나, 이에 한정되지는 않는다. 전형적으로, 폴리머는 이 폴리머로 부터 제조되는 배터리 격리판인 미세다공성 필름이 전도성은 높도록 그리고 배터리 환경에서는 안정성이 있도록 선택되어야 한다.
바람직하게는, 폴리머는 미세다공성 막이 셧다운 성질을 나타내도록 선택된다. 셧다운 배터리 격리판이 당업계에 익히 공지되어 있다. 셧다운 격리판은 특정 온도, 전형적으로는 리튬 배터리에서 열의 손실을 초래할 수 있는 온도보다 낮은 온도에서 세공을 폐쇄시킨다. 전형적으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 본질적으로 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌 또는 이의 코폴리머로 구성된 블렌드(이에 한정되지 않음)를 포함한 폴리올레핀이 사용된다. 저밀도의 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 및 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)와 같은 폴리에틸렌 모두가 폴리머로 사용될 수 있다. 폴리올레핀은 약 100,000 내지 약 5,000,000의 분자량을 가질 수 있다.
바람직하게는 실질적으로 모든 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌 또는 이의 코폴리머를 포함하는 폴리머 조성물이 본 발명에 사용된다. 용어 "실질적으로 모든"은 압출에 사용된 폴리머 수지가 적어도 80 중량%, 바람직하게는 적어도 90 중량%, 좀더 바람직하게는 적어도 95 중량%의 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌, 또는 이의 코폴리머를 함유함을 의미하는 것으로 한다. 폴리머 수지 조성물은 임의로는 당업계의 숙련인에게 익히 공지되어 있는 항산화제, 첨가제, 안정제 및 프로세싱 보조제를 포함할 수 있다. 충진제가 첨가될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 공정은 세공 형성을 촉진하기 위해 하기에 기재되는 어닐링 단계를 이용한다. 어닐링 단계를 이용하면 폴리머 조성물 내에 충진제를 포함시킬 필요가 없게 된다.
폴리머 조성물은 취입 필름 압출 공정에 의해 압출된다. 취입 필름 압출은 일반적으로 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어 미국 특허 5,691,077(본원에서 참고로 인용됨)에는 1의 블로우-업 비를 이용하여 배터리 격리판 제조용 비-다공성 전구체 층을 압출하는 취입 필름 압출 공정에 관해서 기재하고 있다. 본 발명의 취입 필름 압출은 적어도 약 1.5의 블로우-업 비가 요구된다는 점에서 인용문헌의 방법과는 다른 것이다. 기타 통상적인 취입 필름 방법을 적절히 변형하여 적어도 1.5의 블로우-업 비를 달성할 수 있다면 이러한 기타의 통상적인 취입 필름 방법도 본 발명에 이용할 수 있다. 변형을 위해 어느 정도의 실험이 요구될 수 있으며, 이는 당업계의 숙련인의 능력 범위내에 있다. 전형적으로, 취입 필름 압출 단계에서 블로우-업 비는 적어도 약 1.5, 바람직하게는 적어도 2.0, 좀더 바람직하게는 적어도 2.5이어야 한다. 그러나, 블로우-업 비가 예를 들어 20 이상으로 너무 높지는 않아야 한다. 블로우-업 비가 너무 높으면, 압출된 관형 필름의 안정성이 악화될 수 있다.
전형적으로, 폴리머와 임의 첨가제는 압출기에서 용해되어 용해 조건에서 환형상 압출(또는 동시압출) 다이를 통해 관형 필름으로 압출된다. 환형상 다이는 약 0.5 내지 약 50 인치의 직경과 약 0.030 내지 약 0.140 인치의 다이 갭을 가질 수 있다. 당업계에 공지되어 있듯이, 불활성 가스와 같은 내부 공기 또는 기타 유체는 압출기의 유입구를 통해 관형 필름의 내부로 도입될 수 있다. 형판 에어 링(a shape imposing air ring)을 사용하여 압출된 관형 필름의 외부로 공기를 나아가게 하고, 관형 필름의 외부 표면에 공기압을 제공할 수 있다. 내부 공기와 외부 공기 모두에 의해 관형 필름이 다이 오리피스로부터 정해진 거리에서 고형화된다. 부가적으로, 내부 공기에 의해 가해진 압력으로 인해 관형 필름의 반경방향 팽창이 정해진 블로우-업 비로 일어나게 된다. 1 이상의 에어 링이 사용될 수 있다. 에어 링은 일반적으로는 당업계에 알려져 있고 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 4,118,453에 기재되어 있다. 에어 링은 관형 필름의 형상을 결정하는 기능도 한다. 바람직하게는, 1 이상의 듀얼 립 에어 링이 사용된다. 관형 필름은, 반경방향으로 팽창하고 냉각된 이후에, 닙 롤 등과 같은 압연 부재에 의해 압연되고 편평해진다.
숙련인이라면 알 수 있듯이, 주어진 폴리머 수지의 경우에, 블로우-업 비를 결정하는 인자는 다수(예를 들어, 다이 오리피스 갭, 압출기 배출 속도, 필름 후퇴(또는 드로) 속도, 원하는 필름 전구체 두께, 냉각 링 형상, 및 내부 공기에 의해 가해진 압력과 냉각 링으로부터 주입된 공기 또는 유체에 의해 가해진 압력, 및 공기의 온도를 포함)이다. 당업계의 숙련인이라면 원하는 블로우-업 비를 달성하기 위해 과도한 실험을 행하지 않고서도 실제 공정 파라미터를 쉽게 세팅할 수 있다.
압출 후, 비-다공성 필름은 추가로 신장시키기 이전에 어닐링한다. 일반적으로 업계에 알려진 바로는, 어닐링은 필름 전구체에서 결정상 구조를 개선시키고 신장 단계동안 세공 형성을 촉진하는 가열 공정이다. 어닐링은 통상적인 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 필름 전구체는 가열된 롤 또는 가열된 금속판과 접촉되거나, 공기 또는 불활성 가스에서 가열될 수 있다. 달리, 필름 전구체는 코어 주위로 권취되어 가스상에서 롤 형태로 가열될 수 있다. 예를 들어 실리콘 수지로 코팅된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름, 불소 수지 필름, 및 종이 또는 플라스틱 필름과 같은 릴리스 시이트를 이용하여 필름이 롤 형태로 블로킹되는 것을 차단할 수 있다. 전형적으로, 어닐링은 약 100℃ 내지 약 145℃의 온도에서, 약 5분 내지 약 30분동안 수행될 수 있다.
어닐링된 필름 전구체는 신장(또는 "배향")되어 필름 전구체의 구조에서 세공을 형성할 수 있다. 전형적으로, 어닐링된 필름 전구체는 기계 방향, 및 임의로는 가로 방향 모두로 단축 신장된다. 신장은 일반적으로 업계에 공지되어 있고, 예를 들면 미국 특허 5,565,281과 미국 특허 5,691,077(본원에서 참고로 인용됨)에 기재되어있다. 신장에는 다단계, 예를 들면 냉간 드로잉 단계, 고온 드로잉 단계, 및 이완 또는 열-처리 단계가 포함될 수 있다. 이완 또는 열-처리 단계는 격리판 내부에 내부 응력을 감소시키는 것으로 각종 열 프로필에서 (-) 드로 비 또는 실질적으로는 0 드로 인장력으로 달성될 수 있다. 신장은 드로 프레임을 함유한 오븐에서 수행되는 연속 공정일 수 있다. 당업계의 숙련인이라면 과도한 실험을 수행하지 않고도 온도 및 드로 비를 세팅할 수 있다. 신장 후, 미세다공성 막은 권취되어 원하는 두께의 슬릿으로 만들 수 있다.
전형적으로, 블로우-업 비가 1인 통상적인 관형 필름 압출 공정에서, 필름 전구체는 취입 필름 압출 동안 열 분포와 선 속도간의 차이로 인해 어닐링 단계 이전에서도 부분적으로 배향된다. 관형 필름 전구체는, 반경방향으로 팽창되지 않기 때문에, 단지 기계 방향으로만 배향된다. 폴리머 필름 전구체는 라멜라가 인취 방향으로 여러개의 줄로 배열된 결정상 줄 구조를 나타낸다. 일반적으로, 이러한 결정상 구조는 후속 어닐링과 신장 단계에서 원하는 세공을 형성하는 데에 중요한 것으로 당업계에서 인식하고 있다. 또한, 취입 필름이 가로 방향으로 팽창하면 후속 신장 단계에서 세공의 형성을 방해하는 것으로 여겨져 왔다. 그러나, 본 발명에서는 압출된 필름 전구체가 블로우-업 비의 증가로 인해 가로방향으로 크게 팽창되더라도, 생성된 필름 전구체가 후속 어닐링과 신장 작업에 여전히 적당하며 적당한 세공이 형성될 수 있음을 발견했다.
전형적으로, 본 발명에 따르면, 단일 층 미세다공성 막은 두께가 약 2 mil 이하, 바람직하게는 약 1.5 mil 이하, 좀더 바람직하게는 약 1.25 mil 이하, 가장 바람직하게는 약 1 mil 이하이다. 미세다공성 막에서 세공의 평균 세공세공는 보통 약 0.005 내지 약 10 마이크론, 바람직하게는 약 0.01 내지 약 5 마이크론, 가장 바람직하게는 약 0.05 내지 약 2 마이크론이다. 본 발명의 미세다공성 막의 다공도는 걸리(Gurley)값에 의하면 약 5초 내지 약 100초, 바람직하게는 약 10초 내지 약 60초, 20초 내지 약 40초(ASTM-D726(B)법으로 측정)인 것으로 알려졌다. 전형적으로, 셧다운 격리판이 본 발명에 따라 제조되면, 셧다운 온도는 약 80℃ 내지 약 160℃, 바람직하게는 약 90℃ 내지 약 130℃, 좀더 바람직하게는 약 100℃ 내지 약 120℃이다.
생성된 미세다공성 막의 기계 방향의 인장 강도와 가로 방향의 인장 강도는 막을 제조하는데 사용되는 각종 폴리머 물질과, 취입 필름 압출 동안의 블로우-업 비에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌으로 제조된 본 발명의 미세다공성 막에서, MD 방향의 인장 강도는 전형적으로 50 kpsi 내지 약 100 kpsi, 바람직하게는 약 60 kpsi 내지 약 80 kpsi이다(ASTM-D638에 의해 측정). 가로 방향의 인장 강도는 전형적으로 적어도 15 kpsi, 바람직하게는 적어도 30 kpsi이다(ASTM-D638에 의해 측정). 인장 강도 비(TD 인장 강도:MD 인장 강도)는 적어도 약 0.10, 바람직하게는 적어도 약 0.12, 좀더 바람직하게는 적어도 약 0.25, 가장 바람직하게는 적어도 약 0.5이다. 그러나, 전형적으로 인장 강도 비는 전형적으로는 약 1.2 이하이고, 바람직하게는 약 1.0 이하이다.
폴리프로필렌으로 제조된 본 발명의 미세다공성 막에서, 기계방향의 인장 강도는 전형적으로는 80 kpsi 내지 약 150 kpsi이고, 바람직하게는 약 100 kpsi 내지 약 130 kpsi이다. 가로 방향의 인장 강도는 전형적으로는 적어도 25 kpsi이고, 바람직하게는 적어도 50 kpsi이다. 인장 강도 비(가로방향의 인장 강도: 세로방향의 인장 강도)는 약 0.10 내지 약 1.2, 바람직하게는 약 0.12 내지 약 1.0, 좀더 바람직하게는 약 0.25 내지 약 1, 가장 바람직하게는 약 0.5 내지 약 1.0이다.
미세다공성 막의 내분열성은 가로 방향의 내인열성(가로방향의 평균 저항성)으로 나타내며, 이는 적어도 약 40 kgf/㎠, 바람직하게는 적어도 약 50 kgf/㎠, 좀더 바람직하게는 적어도 약 60 kgf/㎠, 더욱더 바람직하게는 적어도 약 70 kgf/㎠, 가장 바람직하게는 적어도 약 80 kgf/㎠이다(ASTM D-1004법으로 측정).
미세다공성 막의 파열 강도는 적어도 약 270 gm, 바람직하게는 적어도 약 300 gm, 좀더 바람직하게는 적어도 약 400 gm이다.
바람직한 양태에서, 적어도 일 셧다운층과 적어도 일 강도층을 지닌 다중층 셧다운 격리판이 제공된다. 전형적으로 셧다운층(들)은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)와 같은 폴리에틸렌, 또는 실질적으로 HDPE, LDPE, LLDPE 또는 이의 혼합물을 포함하는 블렌드로 제조된다. 전형적인 폴리에틸렌은 미국 텍사스 달라스에 소재하는 Fina Oil and Chemical Company에서 시판중인 Fina HDPE 7208 수지이다. 강도층(들)은 예를 들면 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀, 또는 실질적으로 폴리프로필렌 또는 폴리프로필렌의 코폴리머를 포함하는 블렌드로 구성될 수 있다. 전형적인 폴리프로필렌은 미국 텍사스 달라스에 소재하는 Fina Oil and Chemical Company에서 시판중인 Fina PP 3271 수지이다.
본 발명의 이러한 양태에 따른 다중층 셧다운 격리판은 본 발명에 따라 제조된 적어도 하나의 내분열성의 미세다공성 막 층을 포함한다. 예를 들어, 이중층 셧다운 격리판을 제공하기 위해, 본 발명의 내분열성의 미세다공성 막 층은 라미네이팅되어 또다른 미세다공성 막층에 결합될 수 있다. 일 층은 셧다운층일 수 있고 다른 층은 강도층일 수 있다. 바람직하게는, 두 층 모두 본 발명에 따라 제조된 내분열성의 미세다공성 막이다. 라미네이팅 및 결합 방법은 일반적으로 당업계에 공지되어 있고 예를 들면 미국 특허 5,565,281(본원에서 참고로 인용됨)에 기재되어 있다. 본 발명에 이용하기 적당한 결합 방법으로는 캘린더링, 접착제를 이용한 접착, 및 용접이 포함된다. 접착제의 적용에는 공기 분무, 그라비야/스크린 인쇄; 수압 분무; 및 초음파 분무가 포함될 수 있다. 접착제와 접착제 적용 속도는 격리판의 다공도에는 악영향을 미치지 않게끔 선택되어야 한다. 용접 기술에는 열 용접과 초음파 용접이 포함된다. 용접 과정과 용접 패턴을 위한 에너지의 양은 격리판의 다공도에는 악영향을 미치지 않게끔 선택되어야 한다. 바람직하게는 결합은 내부 셧다운층의 용해점보다 최소한 1℃ 낮은 온도, 바람직하게는 셧다운층의 용해점보다 최소한 5℃ 낮은 온도에서 폐쇄형 닙을 이용한 캘린더링에 의해 수행된다.
임의로, 크로스-플라이 삼중층 배터리 격리판은 일층이 다른층에 대해 각이지게 배향되게끔 미세다공성 층을 크로스-플라이 라미네이팅시켜 제조될 수 있다. 크로스-플라이 미세다공성 배터리 격리판의 적당한 제조방법은 예를 들면 미국 특허 5,667,911(본원에서 참고로 인용됨)에 기재되어 있다. 결합 후, 다중층 셧다운 배터리 격리판은 배터리, 특히 업계에 익히 공지된 2차 리튬 배터리의 제조에 사용하기 위해 재권취될 수 있다. 달리, 단일 플라이 전구체는 라미네이팅되고 함께 결합하여 다중층 배터리 격리판 전구체를 형성할 수 있고, 이는 후속 어닐링 및 신장되어 다중층 격리판을 형성한다.
이중층 격리판 이외의 다중층 배터리 격리판(여기서 1개이상의 층이 본 발명의 다공성 막임)도 본 발명에 따른 유사한 방법으로 제조될 수 있다. 이의 다른 타입은 예를 들면 1개의 셧다운층을 샌드위칭하는 2개의 강도층을 지닌 삼중층 격리판, 및 제 1, 제 3, 및 제 5 층이 강도층이고 제 2 및 제 4 층이 셧다운층인 오중층 격리판을 포함한다.
또다른 바람직한 양태에서, 본 발명의 다중층 격리판은 동시-압출 공정에 의해 제조될 수 있고, 격리판의 둘 이상, 바람직하게는 모든 층이 동시에 멀티-플라이 전구체로 동시-압출된다. 배터리 격리판을 제조하는 취입 필름 압출 공정에 의한 동시-압출 방법은 일반적으로 공지되어 있고 예를 들면 미국 특허 5,240,655 및 5,281,491(둘 모두 본원에서 참고로 인용됨)에 기재되어 있다. 그러나, 본 발명에서 다중층 전구체를 제조하는 동시-압출 공정은 취입 필름 압출에서 블로우-업 비가 적어도 약 1.5, 바람직하게는 적어도 약 2.0, 좀더 바람직하게는 적어도 약 2.5, 가장 바람직하게는 적어도 약 3.5일 것을 요구한다. 다중층 배터리 격리판을 형성하기 위한 동시-압출된 필름 전구체의 어닐링과 신장은 예를 들어 미국 특허 5,240,655(본원에서 참고로 인용됨)에 기재된 바와 같은 통상적인 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명은 부가적으로는 하기의 실시예를 참조하여 설명되고 있다. 하기 실시예에서, 걸리(Gurley)값은 ASTM D-726(B)법에 의해 측정된다. 본원에서 사용된 걸리(Gurley)값은 Gurley Densometer(예, Model 4120)으로 측정한 공기 흐름에 대한 저항성이다. 본원에서 제시된 걸리(Gurley)값은 물의 압력 12.2 인치하에 공기 10 cc가 산물 1 in2를 통과하는 데 필요한 시간(초)으로 표시된다.
MD와 TD에 따른 인장 강도는 ASTM D-638법으로 측정된다. 내인열성은 ASTM D-1004로 측정된다.
배터리 격리판의 두께는 Technical Association of the Pulp and Paper Industry의 후원하에 개발된 T411 om-83법으로 측정된다. 두께는 7 psi에서 샘플과 접촉하는 1/2 인치 직경의 원형 접촉부를 지닌 정밀 마이크로미터를 이용하여 측정된다. 샘플의 폭을 가로질러 10회에 걸쳐 택한 각각의 마이크로미터 값을 평균한다.
미세다공성 필름의 다공도는 ASTM D-2873 법으로 측정한다.
파열 강도는 하기와 같이 측정한다: 10회 측정값은 신장된 산물의 폭을 가로 질러 취한 것이고 이를 평균한다. Mitech Stevens LFRA Texture Analyzer을 사용한다. 바늘은 직경 1.65 mm에 반경 0.5 mm이다. 하강 속도는 2 mm/초이고 굴절량은 6 mm이다. 필름은 11.3 mm의 중앙 홀을 지닌 클램핑 장치에 견고하게 고정된다. 바늘로 뚫은 막의 이동 거리(mm)를 시험된 필름에 의해 발생된 저항력(g 력)에 대해 기록한다. 최대 저항력이 파열 강도이다.
실시예
미국 뉴욕 화이트 플레인즈에 소재하는 Mitsui Petrochemical LTD에서 시판되는 고밀도 폴리에틸렌 수지 HDPE Hizex 5202B를 압출시켜 폴리에틸렌 시이트 산물을 형성한다. 압출기 장치는 표 1에 기재된 순서로 배열된다.
Brampton 3" 3 Layer Pilot Line
압출기 구조
블로우-업 비 1.0 1.5 2.0 2.5
L/D 비 24:1 24:1 24:1 24:1
배럴 크기 3" 3" 3" 3"
다이 크기 27" 27" 27" 27"
다이 갭 50 mil 50 mil 79.6 mil 79.9 mil
랜드 길이 1.5" 1.5" 1.5" 1.5"
에어 링 듀얼 립 듀얼 립 듀얼 립 듀얼 립
취입 필름 압출을 표 2에 요약된 조건하에 수행한다.
압출 조건
블로우-업 비 1.0 1.5 2.0 2.5
용해 온도(℃) 210 210 210 210
다이 온도(℃) 220 220 220 220
상부 닙(선) 속도(fpm) 60 94 105 117.8
가중 치수(mil) 1.36 1.33 1.3 1.3
흔적 .26 .26 .27 .32
에어 링 개방(인치) 0.080 0.080 0.080 0.080
에어 링 프로스트 라인(인치) 6" 6" 16" 16"
Birefringence .0266 0.0131 0.0148 0.0120
냉각 공기압(인치 H2O) 3 3 3 3
압출된 필름을 각각 표 3과 표 4에 요약된 조건하에 어닐링 및 신장시킨다.

어닐링 조건
블로우-업 비 1.0 1.5 2.0 2.5
온도(℃) 120 120 120 120
선 속도(fpm) 30 30 30 30
체류 시간(분) 15 15 15 15
%신장율 7% 7% 7% 7%
신장 조건
블로우-업 비 1.0 1.5 2.0 2.5
지대 1 온도(℃)(냉간 신장) 25 25 25 25
지대 2 온도(℃)(고온 신장) 90 90 90 90
지대 3 온도(℃)(고온 신장) 90 90 90 90
지대 4 온도(℃)(이완) 90 90 90 90
선속도(fpm) 20 20 20 20
냉간 신장*(%) 40 40 40 40
고온 신장*(%) 145 145 145 145
이완*(%) 30 30 30 30
총 신장(%) 100 100 100 100
*선속도 기준
표 5에서는 신장된 필름의 기본적인 성질을 제공하고 있다.
블로우-업 비 1.0 1.5 2.0 3.5
표준 걸리(Gurley)값(초/mil) 34 37 57 60
파열 강도(g) 280 270 260 240
MD 평균 내인열성(kgf/㎠) 211.73 186.9 175.49 176.89
TD 평균 내인열성(kgf/㎠) 43.27 51.78 63.06 78.84
TD/MD 인장 강도 비 0.111 0.120 0.128 0.135
명세서에서 언급된 모든 공개 및 특허 출원은 본 발명이 속한 업계의 숙련인에게 공지되어 있다. 모든 공개 및 특허 출원은 동일한 정도로 본원에서 참고되고 있으며 각각의 개개 공개 또는 특허 출원은 참고시 구체적이면서 개별적으로 지적되고 있다.
본 발명은 명확한 이해를 위해 상세한 설명과 실시예에 의해 다소 상세히 기재하고 있지만, 첨부된 청구항의 범위 내에서 특정한 변화 및 수정이 행할 수 있음은 자명하다.

Claims (20)

  1. 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 및 이들의 코폴리머로 구성된 그룹 중에서 선택된 폴리머를 80-100 중량% 포함하며, 가로 방향의 내인열성이 50 kgf/㎠ 이상인 미세다공성 막.
  2. 제 1 항에 있어서, 가로 방향의 내인열성이 60 kgf/㎠ 이상인 미세다공성 막.
  3. 제 1 항에 있어서, 가로 방향의 인장 강도와 기계 방향의 인장 강도간의 비가 0.12-1.0인 미세다공성 막.
  4. 제 1 항에 있어서, 걸리(Gurley)값이 5-100초인 미세다공성 막.
  5. 제 1 항에 있어서, 폴리머가 고밀도 폴리에틸렌인 미세다공성 막.
  6. 80-100%의 폴리에틸렌을 포함하고, 가로 방향의 내인열성이 50 kgf/㎠ 이상이고, 가로 방향의 인장 강도:기계 방향의 인장 강도간의 비가 0.12-1.0이며, 걸리(Gurley)값이 5-100초인 미세다공성 막.
  7. 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 및 이들의 코폴리머로 구성된 그룹 중에서 선택된 폴리머를 80-100 중량% 포함하는 단계;
    취입 필름 방법에 의한 필름 전구체를 1.5-20의 블로우-업 비로 압출하는 단계; 및
    필름 전구체를 어닐링하는 단계; 및
    어닐링된 필름 전구체를 신장시켜 미세다공성 막을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조된 미세다공성 막.
  8. 제 7 항에 있어서, 블로우-업 비가 2-20인 미세다공성 막.
  9. 제 8 항에 있어서, 필름 전구체가 80-100 중량%의 고밀도 폴리에틸렌을 포함하는 미세다공성 막.
  10. 제 7 항에 있어서, 미세다공성 막은 가로 방향 인장 강도:기계 방향 인장 강도 비가 0.12-1.0인 미세다공성 막.
  11. 제 7 항에 있어서, 신장 단계가 어닐링된 필름 전구체를 기계 방향으로 단축 신장시키는 단계를 포함하는 미세다공성 막.
  12. 제 1 항에 따른 미세다공성 막을 포함하는 다중층 셧다운 격리판.
  13. 제 6 항에 따른 미세다공성 막을 포함하는 다중층 셧다운 격리판.
  14. 제 7 항에 따른 미세다공성 막을 포함하는 다중층 셧다운 격리판.
  15. 제 10 항에 따른 미세다공성 막을 포함하는 다중층 셧다운 격리판.
  16. 취입 필름 방법에 의한 필름 전구체를 1.5-20의 블로우-업 비로 압출하는 단계;
    필름 전구체를 어닐링하는 단계; 및
    어닐링된 필름 전구체를 신장시켜 미세다공성 막을 형성하는 단계를 포함하는,
    배터리 격리판용 미세다공성 막의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 미세다공성 막이 80-100 중량%의 고밀도 폴리에틸렌을 포함하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 블로우-업 비가 2-20인 방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 미세다공성 막은 걸리(Gurley)값이 5-100초인 방법.
  20. 제 16 항에 있어서, 미세다공성 막은, 가로 방향의 내인열성이 50 kgf/㎠ 이상이며, 가로 방향의 인장 강도:기계 방향의 인장 강도 비가 0.12-1.0인 방법.
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