KR100858794B1 - 과충전 안전성이 우수한 세퍼레이터 및 이를 채용한 리튬전지 - Google Patents

과충전 안전성이 우수한 세퍼레이터 및 이를 채용한 리튬전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 세퍼레이터는 폴리올레핀계 고분자로 이루어진 전기 절연성의 제1 세퍼레이터층; 폴리올레핀계 고분자로 이루어진 전기 절연성의 제2 세퍼레이터층; 및 상기 제1 및 제2 세퍼레이터층의 사이에 개재되어 있으며 전기 전도성 고분자로 이루어진 제3 세퍼레이터층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 세퍼레이터를 채용한 리튬 전지는 충전지의 오작동 등과 같은 여러 원인에 의하여 과충전되었을 때 일정 전압 이상에서 전류를 셧다운시킴으로써 개선된 전지 안전성과 신뢰성을 발휘한다.

Description

과충전 안전성이 우수한 세퍼레이터 및 이를 채용한 리튬 전지{Separator with improved overcharge safety and lithium battery using the same}
본 발명은 세퍼레이터 및 이를 채용한 리튬 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지가 과충전되어 전압상승이 일어나더라도 전류를 셧다운시키는 특성이 있어서 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 세퍼레이터 및 이를 채용한 리튬 전지에 관한 것이다.
최근 첨단 전자기기의 발달로 전자 장비가 소형화 및 경량화됨에 따라 휴대용 전자 기기의 사용이 점차 증대하고 있다. 따라서 이러한 전자기기의 전원으로 사용되는 고에너지 밀도 및 장수명 특성을 갖는 전지의 필요성이 높아지게 되어 리튬 전지에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
리튬 전지는 캐소드, 애노드, 이들 사이에 개재된 세퍼레이터, 및 캐소드와 애노드 사이에 리튬 이온의 이동 경로를 제공하는 전해액을 이용하여 제조된 전지로서, 리튬 이온이 상기 캐소드 및 애노드에서 삽입/탈삽입될 때의 산화, 환원 반응에 의해 전기에너지를 생성한다. 그러나 리튬 전지는 충전기 오작동 등의 원인에 의하여 전지가 과충전되어 전압상승이 급격하게 진행될 경우 충전상태에 따라 캐소 드에서는 과잉의 리튬이 석출되고 애노드에서는 리튬이 과잉으로 삽입되어 캐소드/애노드의 양극이 열적으로 불안정하게 되면 전해액의 유기용매가 분해되어 급격한 발열반응이 발생하여 열폭주와 같은 사태가 급격하게 일어나 전지의 안전성에 심각한 손상을 일으키는 문제점이 있다.
이처럼 과충전에 의하여 국부적인 내부단락이 일어날 수 있는데, 내부단락이 발생하는 부분에서는 집중적으로 온도가 상승하게 된다. 그런데, 국부적인 단락이 발생하면 세퍼레이터가 셧다운 기능(shut-down 기능:온도가 증가하면 이온 이동을 억제하여 전류 흐름을 억제하는 기능)을 제대로 발휘하지 못한다. 따라서 국부적인 단락으로 인한 온도 상승은 세퍼레이타 셧다운된 다음, 캐소드와 애노드가 열분해되면서 열발생량이 점차 커지게 되고, 열폭주로 이어져서 결국 전지를 발화시키고 파열하게 한다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 충전지의 오작동 등과 같은 여러 원인에 의하여 과충전되었을 때 일정 전압 이상에서 전류를 셧다운시킴으로써 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 세퍼레이터를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 세퍼레이터를 채용한 리튬 전지를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 폴리올레핀계 고분자로 이루 어진 전기 절연성의 제1 세퍼레이터층;
폴리올레핀계 고분자로 이루어진 전기 절연성의 제2 세퍼레이터층; 및
상기 제1 및 제2 세퍼레이터층의 사이에 개재되어 있으며 전기전도도가 10-5 ~ 10-2Ω-1인 전기 전도성 고분자로 이루어진 제3 세퍼레이터층을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지용 세퍼레이터를 제공한다.
본 발명에 따른 세퍼레이터에 있어서, 상기 제1 및 제2 세퍼레이터층의 폴리올레핀계 고분자는 폴리에틸렌, 또는 폴리프로필렌을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 세퍼레이터에 있어서, 상기 제3 세퍼레이터층의 전기 전도성 고분자는 리튬 이온을 함유하는 폴리아세틸렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리파라페닐렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리페닐렌비닐렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리페닐렌설파이드, 리튬 이온을 함유하는 폴리피롤, 리튬 이온을 함유하는 폴리티오펜, 리튬 이온을 함유하는 폴리(3-메틸티오펜), 리튬 이온을 함유하는 폴리(3-헥실티오펜), 리튬 이온을 함유하는 폴리아닐린, 리튬 이온을 함유하는 폴리옥사디아졸, 리튬 이온을 함유하는 폴리(스티렌 리튬 설포네이트) 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 세퍼레이터에 있어서, 상기 전기 전도성 고분자로 이루어진 제3 세퍼레이터층은 5V 이상에서 분해되어 전류흐름을 억제하는 셧다운 기능을 발휘하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 세퍼레이터에 있어서, 상기 제1 세퍼레이터층 : 상기 제3 세 퍼레이터층 : 상기 제2 세퍼레이터층의 두께비는 8 ~ 10 : 15 ~ 20 : 8 ~ 10인 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 캐소드, 애노드, 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 리튬 전지에 있어서,
상기 세퍼레이터는 폴리올레핀계 고분자로 이루어진 제1 및 제2 세퍼레이터층과 상기 제1 및 제2 세퍼레이터층의 사이에 개재되어 있으며 전도성 고분자로 이루어진 제3 세퍼레이터층을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 전지에 있어서, 상기 제1 및 제2 세퍼레이터층의 폴리올레핀계 고분자는 폴리에틸렌, 또는 폴리프로필렌을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 리튬 전지에 있어서, 상기 전기 전도성 고분자는 상기 제3 세퍼레이터층의 전기 전도성 고분자는 리튬 이온을 함유하는 폴리아세틸렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리파라페닐렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리페닐렌비닐렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리페닐렌설파이드, 리튬 이온을 함유하는 폴리피롤, 리튬 이온을 함유하는 폴리티오펜, 리튬 이온을 함유하는 폴리(3-메틸티오펜), 리튬 이온을 함유하는 폴리(3-헥실티오펜), 리튬 이온을 함유하는 폴리아닐린, 리튬 이온을 함유하는 폴리옥사디아졸, 리튬 이온을 함유하는 폴리(스티렌 리튬 설포네이트) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 리튬 전지에 있어서, 상기 전기 전도성 고분자로 이루어진 제3 세퍼레이터층은 5V 이상에서 분해되어 전류흐름을 억제하는 셧다운 기능을 발휘하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 리튬 전지에 있어서, 상기 제1 세퍼레이터층 : 상기 제3 세퍼레이터층 : 상기 제2 세퍼레이터층의 두께비는 8 ~ 10 : 15 ~ 20 : 8 ~ 10인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 세퍼레이터의 구조와 셧다운 특성을 나타내는 메커니즘 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 세퍼레이터는 폴리올레핀계 고분자로 이루어진 전기 절연성의 제1 및 제2 세퍼레이터층의 사이에 전기 전도성 고분자로 이루어진 제3 세퍼레이터층이 적층되어 있는 3층구조로 되어 있다.
상기 제1 및 제2 세퍼레이터층은 전기 절연성의 고분자층으로 이루어지는데, 폴리올레핀계 고분자로 이루어지는 것이 전극조립체를 권취할 때의 작업용이성의 측면에서 바람직하며, 1층 구조의 폴리에틸렌 필름, 1층구조의 폴리프로필렌 필름, 또는 폴리에틸렌 필름의 양면에 폴리프로필렌 필름이 적층되어 있는 3층구조의 필름으로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
상기 제3 세퍼레이터층은 전기 전도성 고분자로 이루어지는데, 상기 제3 세퍼레이터층의 전기 전도성 고분자는 리튬 이온을 함유하는 폴리아세틸렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리파라페닐렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리페닐렌비닐렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리페닐렌설파이드, 리튬 이온을 함유하는 폴리피롤, 리튬 이온을 함유하는 폴리티오펜, 리튬 이온을 함유하는 폴리(3-메틸티오펜), 리튬 이온을 함유하는 폴리아닐린, 리튬 이온을 함유하는 폴리옥사디아졸, 리튬 이온을 함유하는 폴리(스티렌 리튬 설포네이트) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
상술한 바와같이 본 발명의 세퍼레이터는 현재 사용되고 있는 1층 구조의 세퍼레이터와 달리 전기절연성 고분자의 표면층의 사이에 전기전도도가 바람직하게는 10-5 ~ 10-2Ω-1, 더욱 바람직하게는 10-4 ~ 10-3Ω -1인 전기전도성 고분자가 중심층으로 개재되어 있는 3층 구조의 세퍼레이터이다.
본 발명의 세퍼레이터의 중심층의 리튬 이온을 다량함유하는 전도성 고분자는 이온전도도와 전기전도도가 높지만 일반적인 충방전전압 보다 높은 과전압에 의해 과전류가 흐르면 분자량이 저하되는 분해반응이 일어나 이온전도도와 전기전도도가 급속하게 저하되는 특성을 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 세퍼레이터를 리튬 전지에 사용하면, 정상적인 충방전이 가능하지만 과충전이 일어나 전위가 5V 이상으로 상승하면 중심층의 전도성 고분자가 분해되어 전도성 고분자의 분자량이 저하되게 된다. 이에 따라서 전기전도도와 이온전도도가 크게 저하되기 때문에 전류가 셧다운되어 더 이상 충전이 불가능하므로 과충전에 안전한 리튬 전지의 제조가 가능하게 된다.
본 발명에 따른 상술한 3층 구조의 세퍼레이터는 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
첫번째 방법은 먼저 리튬 이온을 함유하는 폴리아세틸렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리파라페닐렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리페닐렌비닐렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리페닐렌설파이드, 리튬 이온을 함유하는 폴리피롤, 리튬 이온을 함유하는 폴리티오펜, 리튬 이온을 함유하는 폴리(3-메틸티오펜), 리튬 이온을 함유하는 폴리아닐린, 폴리옥사디아졸, 폴리(스티렌 리튬 설포네이트) 또는 이들의 혼합물을 테트라하이드로 퓨란, N-메틸 피롤리돈과 같은 캐스팅 유기용매에 용해시킨 후시킨 후 적절한 지지체에 소정의 두께로 캐스팅한 후 건조하여 캐스팅용 유기용매를 제거하고 지지체로부터 분리하여 중심층으로 사용되는 전도성 고분자층 필름을 제조한다.
이렇게 하여 얻은 전도성 고분자층 필름을 통상의 폴리에틸렌 세퍼레이터 필름의 사이에 삽입하고 압착하면 본 발명의 3층 구조의 세퍼레이터를 완성된다.
두번째 방법은 표면층으로 사용되는 폴리올레핀계 절연필름상에 직접 전도성 고분자 필름층을 캐스팅하는 방법이다.
즉, 통상의 폴리에틸렌 세퍼레이터 필름상에 첫번째 방법을 설명할 때 준비한 전도성 고분자 용액을 소정의 두께로 캐스팅한 후 건조하여 캐스팅용 유기용매를 제거하여 중심층으로 사용되는 전도성 고분자층 필름을 형성한다.
이렇게 하여 형성된 전도성 고분자층 필름의 상부에 다시 통상의 폴리에틸렌 세퍼레이터 필름을 적층하고 압착하면 본 발명의 3층 구조의 세퍼레이터를 완성된다.
이어서 본 발명에 따른 리튬 전지의 제조방법을 설명한다. 본 발명에 따른 리튬 전지는 통상적인 리튬 전지의 제조방법에 따라 제조될 수 있다.
즉, 먼저 리튬 전지 제조시 사용되는 통상적인 방법에 따라 캐소드와 애노드를 각각 제조한다.
캐소드는 리튬 금속 산화물, 리튬 금속 복합 산화물, 전이금속 화합물, 설퍼 화합물 등의 캐소드 활물질, 도전제, 결합제 및 용매를 혼합하여 캐소드 형성용 조 성물을 준비한 후, 이를 알루미늄 집전체상에 코팅 및 건조하여 제조한다. 애노드는 결정질 또는 비정질의 탄소재 분말, 그래파이트 분말 등의 애노드 활물질, 결합제, 및 용매를 혼합하여 애노드 형성용 조성물을 준비한 후, 이를 구리 집전체상에 코팅 및 건조하여 제조한다.
캐소드와 애노드 제조시 이용되는 결합제로는 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 공중합체 등을 이용하며, 도전제로는 카본 블랙 등을 이용하며, 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤, 아세토니트릴 등을 사용한다. 이들 성분의 함량은 리튬 2차 전지에서 통상적으로 사용되는 수준으로서, 결합제는 상기 전극활물질 100 중량부를 기준으로 약 6 ~ 10 중량부를 사용하며, 도전제는 전극활물질 100중량부를 기준으로 약 1.5 ~ 6 중량부를 사용한다.
상기 과정에 따라 준비된 캐소드와 애노드의 사이에 세퍼레이타를 캐소드와 애노드사이에 삽입시킨 상태에서 맨드렐을 중심으로 젤리롤 방식으로 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
이어서, 상기 전극 조립체를 캔의 공간부에 삽입한 다음, 전극 조립체로부터 맨드렐을 제거한다. 그 후, 상기 전극 조립체의 중공부를 비롯하여 전극 조립체가 수용된 캔의 공간부에 전해액을 주입하게 된다. 이러한 전해액 주입과정은 전해액 주입장치를 이용하여 전지 캔 내부를 진공상태로 만든 다음, 소정의 분사압력을 유지한 상태로 전해액을 상기 캔 내부로 주입한다.
이와 같이 전해액의 주입이 완료된 후, 캡 조립체를 캔의 상부에 결합하면 리튬 2차 전지가 완성된다.
그 후, 상술한 바와 같이 조립된 전지에 양호한 충, 방전 특성을 부여하기 위하여 다수회에 걸쳐 충전 및 방전 과정을 실행하는 화성공정을 거친다.
본 발명에서 사용하는 전해액은 리튬 2차전지에서 통상적으로 사용하는 전해액을 사용한다. 상기 전해액은 리튬염과 유기용매로 구성되며, 상기 유기용매로는 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, γ-부티로락톤, 1,3-디옥소란, 디메톡시에탄, 디메틸카보네이트, 메틸에틸 카보네이트 및 디에틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란, 디메틸설폭사이드 및 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르중에서 선택된 적어도 1종의 용매를 사용한다. 그리고 용매의 함량은 리튬 2차 전지에서 사용하는 통상적인 수준이다.
그리고 리튬염으로는 과염소산 리튬(LiClO4), 사불화붕산 리튬(LiBF4), 육불화인산 리튬(LiPF6), 삼불화메탄술폰산 리튬(LiCF3SO3) 및 리튬 비스트리플루오로메탄술포닐아미드(LiN(CF3SO2)2) 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 이온성 리튬염을 사용하고 그 함량은 리튬 2차 전지에서 사용하는 통상적인 수준이다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 보다 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
LiNiO2 94 중량부, 슈퍼피 3중량부, PVDF 3중량부 및 적정량의 NMP를 혼합하 여 캐소드 형성용 조성물을 준비하였다. 이 조성물을 알루미늄 집전체상에 코팅 및 건조하여 캐소드를 제조하였다.
이와 별도로, 그래파이트 92 중량부, PVDF 8 중량부 및 적정량의 NMP를 혼합하여 애노드 형성용 조성물을 준비하였다. 이 조성물을 구리 집전체상에 코팅 및 건조하여 애노드를 제조하였다.
한편, 중량평균분자량이 40,000인 폴리(스티렌 리튬 설포네이트) 500g을 THF 1,000ml에 균일하게 용해시켰다. 이 용액을 닥터 블레이드를 이용하여 마일라 필름위에 20㎛의 두께로 캐스팅하였다. 이를 열풍으로 건조하여 THF를 제거하고 마일라 필름으로부터 폴리(스티렌 리튬 설포네이트)필름을 분리하여 본 발명에 따른 3층 세퍼레이터 필름에서 전도성 고분자층으로 사용될 폴리(스티렌 리튬 설포네이트) 필름을 완성하였다.
이어서 두께 10㎛의 폴리에틸렌 필름상에 위에서 얻은 전도성의 폴리(스티렌 리튬 설포네이트) 필름을 적층하고 그 상부에는 다시 두께 10㎛의 폴리에틸렌 필름을 덮고, 이를 균일한 압력으로 접합하여 3층 세퍼레이타를 제조하였다.
계속해서, 상기 캐소드와 애노드사이에 3층 세퍼레이타를 삽입하여 전극 조립체를 제조하였다. 이어서, 맨드릴을 중심으로 하여 상기 전극 조립체를 와인딩한 다음, 이를 원통형 케이스에 넣었다. 전극 조립체 내부에서 맨드렐을 제거한 다음, 전해액을 주입한 다음, 밀봉함으로써 원통형 리튬 이온 전지를 완성하였다.
실시예 2
중량평균분자량이 40,000인 폴리(스티렌 리튬 설포네이트) 500g을 THF 1,000ml에 균일하게 용해시켜 얻은 용액을 닥터 블레이드를 이용하여 두께 10㎛의 폴리에틸렌 필름상에 20㎛의 두께로 캐스팅하였다. 이를 열풍으로 건조하여 용매 THF를 제거하고 그 상부에는 다시 두께 10㎛의 폴리에틸렌 필름을 덮고, 이를 균일한 압력으로 접합하여 3층 세퍼레이타를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 리튬 이온 전지를 완성하였다.
비교예
세페레이터로서 두께 16㎛의 폴리에틸렌 1층 구조의 세퍼레이터를 사용하고 가슬발생을 막는 벤트를 밀봉한 것을 제외하고는 실시예 1 및 2와 동일한 방법으로 원통형 리튬 이온 전지를 완성하였다.
상기 실시예 1 ~ 2 및 비교예에 따라 제조된 리튬 이온 전지를 각각 5개씩 을 준비하여 과충전 시험을 하였다.
상기 시험의 결과, 비교예의 리튬 이온 전지는 총 5개의 전지 모두 6V 이상의 과전압에서 셧다운 특성이 발휘되지 않아 발화 및 파열현상이 관찰된 반면, 실시예 1 및 2에 따른 리튬 이온 전지는 총 5개 모두 5V 이상의 과전압에서 셧다운 특성을 발휘하여 발화 및 파열현상이 관찰되지 않았다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 세퍼레이터를 채용한 리튬 전지는 충전지의 오작동 등과 같은 여러 원인에 의하여 과충전되었을 때 일정 전압 이상에서 전류를 셧다운시킴으로써 개선된 전지 안전성과 신뢰성을 발휘한다.
또한, 리튬 전지에서 과충전을 방지하기 위한 보호회로나 PTC(Positive Temperature Coefficient)를 제거할 수 있으므로 리튬 전지의 생산원가를 절감할 수 있다.

Claims (6)

  1. 폴리올레핀계 고분자로 이루어진 전기 절연성의 제1 세퍼레이터층;
    폴리올레핀계 고분자로 이루어진 전기 절연성의 제2 세퍼레이터층; 및
    상기 제1 및 제2 세퍼레이터층의 사이에 개재되어 있으며 전기전도도가 10-5 ~ 10-2Ω-1인 전도성 고분자로 이루어진 제3 세퍼레이터층을 포함하고,
    상기 제3 세퍼레이터층의 전기 전도성 고분자는 리튬 이온을 함유하는 폴리아세틸렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리파라페닐렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리페닐렌비닐렌, 리튬 이온을 함유하는 폴리페닐렌설파이드, 리튬 이온을 함유하는 폴리피롤, 리튬 이온을 함유하는 폴리티오펜, 리튬 이온을 함유하는 폴리(3-메틸티오펜), 리튬 이온을 함유하는 폴리(3-헥실티오펜), 리튬 이온을 함유하는 폴리아닐린, 리튬 이온을 함유하는 폴리옥사디아졸, 리튬 이온을 함유하는 폴리(스티렌 리튬 설포네이트) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 전지용 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 세퍼레이터층의 폴리올레핀계 고분자는 폴리에틸렌, 또는 폴리프로필렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지용 세퍼레이터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 전기 전도성 고분자로 이루어진 제3 세퍼레이터층은 5V 이상에서 분해되어 전류흐름을 억제하는 셧다운 기능을 발휘하는 것을 특징으로 하는 리튬 전지용 세퍼레이터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 세퍼레이터층 : 상기 제3 세퍼레이터층 : 상기 제2 세퍼레이터층의 두께비는 8 ~ 10 : 15 ~ 20 : 8 ~ 10인 것을 특징으로 하는 리튬 전지용 세퍼레이터
  6. 캐소드, 애노드, 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 리튬 전지에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 청구항 1항, 2항, 4항 및 5항 중 어느 한 항에 따른 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 리튬 전지.
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