KR101090101B1 - 고내열성 다공성 미세 분리막 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고내열성 다공성 미세 분리막에 대한 것으로 기존의 폴리올레핀(Polyolefin) 분리막에 비하여 향상된 열적, 기계적 특성을 가지며, 특히 고온에서 낮은 수축률을 갖고 있어 전지제작에 사용되는 경우 전지 안전성이 확보되는 장점이 있다.
다공성분리막, 분리막, 전지분리막, 리튬전지, 방사선, 감마선
Description
본 발명은 고내열성 다공성 미세 분리막에 대한 것이다. 다공성 미세 분리막이 가장 널리 쓰이는 영역이 전지이다. 전지 분리막(separator)은 전극들이 이온 전도도를 유지하면서 서로 격리되어야 하기 때문에 사용되는 것으로, 통상적으로 높은 이온 투과성, 기계적 강도, 전해질에 대한 장기적 안정성을 가지는 다공성의 절연성 재료를 사용한다.
(1) 전지의 안전성
정보시대가 개막되는 데 결정적인 역할을 하고 있는 것이 바로 전지이다. 휴대용 전자기기, 완구 및 전자제품 등의 수요가 급증함에 따라 전원으로 사용되는 각종 전지의 수요량 또한 연간 20 %씩 증가하고 있다. 리튬전지는 한번만 사용하고 버리는 1차전지(Primary cell, non-rechargeable cell)와 충전을 해서 재사용이 가능한 이차전지(Secondary cell, Rechargeable cell)로 구분된다.
리튬 1차전지는 금속 리튬을 음극활물질로 사용하고 비수전해액의 사용으로 3V 이 상의 고전압이 가능하고 중량이 가벼운 고에너지 밀도의 전지이다. 종래의 망간건전지보다 약 2배의 고전압을 지니며, 에너지밀도도 5∼10배이기 때문에, 전자시계 ·카메라 ·부표 등의 전원에 널리 쓰인다. [일차전지 기술동향분석, 포항산업과학연구원, 2006년 8월, 비아글로벌 ,허운행]
리튬 이차전지는 1990년대 시장에 등장한 이래로 기존의 소형 충전지를 대체하며 신규 휴대용기기에 적용되는 등 수요가 크게 증가 되고 있다. 또한 현존하는 충전지 시스템 중에서 단위 전지 전압이 가장 높고 (3.0 ~ 3.7V) 에너지 밀도가 우수하다는 장점이 있다. 그러나 큰 전류(10C~20C)의 충전과 방전 진행이 어렵다는 문제점을 가지고 있다 [리튬금속이차전지와 리튬이온이차전지 비교와 안전사고에 대한 해설, 전자부품연구원 전자정보센터, 박철완, 2003년 12월].
리튬전지의 가장 큰 취약점은 안전성 문제이다. Sony사의 노트북 PC용 전지 발화사고에서 알 수 있듯이 그 파급효과가 사회적으로 크게 영향을 미친다. 안전성을 확보하기 위해서는 전지 구성부품에 대한 소재 기술개발이 필요하다. 전극, 격리막, 전해질 등 핵심소재는 물론 포장재, 안전소자 등 부자재의 성능을 향상시키는 연구가 진행되어야 한다 [전지개황 및 리튬이온전지, 전자정보센터, 전자부품연구원 기술정책실, 2008년 7월].
(2) 분리막의 역할
전지에서 분리막은 양극와 음극의 물리적인 접촉을 차단하면서도 전해액 성분이 원 활하게 이동할 수 있는 통로를 제공하는 역할을 수행하는 핵심 소재이다. 특히 고용량/고전압 전지인 리튬이온전지에 적용되는 분리막은 유기전해액의 낮은 이온전도도를 보완하기 위해서 두께가 얇으면서도 리튬이온전지의 안전성 확보를 위해 우수한 기계적 물성을 가져야 한다 [Sheng Shui Zhang, A review on the separators of liquid electrolyte Li-ion batteries, Journal of Power Sources, Volume 164, P 351-364, 2007].
리튬전지용 분리막으로는 일반적으로 폴리올레핀으로 만들어진 미세다공막이 이용된다. 리튬전지가 사용상의 오용이나 충격, 높은 주위온도 등의 영향으로 이상 발열하는 경우 전지의 안전성을 위협받는다. 이 경우 전지의 분리막은 "기능종료(shut-down)" 역할을 수행함으로써 내부의 미세기공을 막고 이온전도를 중지시킨다. 따라서 더 이상의 방전을 진행시키지 않아서 내부온도의 상승을 없애거나 줄임으로써 안전성을 확보한다 [2차 전지용 고분자 격리막 및 전해질 복합재료, 고분자과학과 기술 제 16 권 4 호 2005년 8월, 김석ㆍ이재락ㆍ 박수진].
그러나 전지 내부의 온도가 급격히 상승되는 경우 미세기공의 기능종료 뿐만 아니라 분리막 자체의 수축을 가속화하여 양극과 음극간의 내부단락이 발생될 가능성이 매우 높다. 이 경우 내부단락으로 인한 전지온도의 상승으로 전지 자체의 발화나 폭발 등이 발생하거나 새로운 발화원으로 작용할 수 있게 되어, 전지의 안전성에 치명적인 문제를 야기할 가능성이 높다.
(3) 발명이 속하는 종래기술
고온에서의 분리막 수축 현상을 방지하기 위한 방법은 여러가지가 제시되고 있다. 대한민국특허 10-2003-0010677에서는 리튬2차전지의 전지수명 및 용량저하의 하나의 원인인 전해액 누액을 방지하는 방법에 대해 언급했다. 폴리올레핀 분리막에 표면개질용으로 사용되는 극성기를 갖는 단량체를 광중합에 의해 그라프트 반응을 시킨다. 이를 통해 다공성 분리막의 표면에너지를 증가시켜 유기용매와의 친화성을 증가시켰다. 여기에서 적용된 광중합법은 1MeV의 전자빔 가속장치를 30Mrad으로 설정하여 질소분위기하에서 이용한 것이다. 그러나 이 때에는 개질된 분리막의 열적 안전성 변화나 기계적 물성의 변화에 대한 언급이 없다. 따라서 전지의 열적, 전기적, 기계적 안전성에 어떤 영향을 미치는 지는 알 수 없다.
대한민국 공개특허 10-2004-0021736에서는 폴리비닐 알코올계 분리막에 할로겐기, 토실기 등을 포함한 관능기를 도입한뒤 자외선이나 열등을 조사하여 가교시킴으로써 고분자막의 내화학성과 내구성을 증가시켰다. 여기에서 제조되는 막은 주로 기체분리막, 역삼투압, 투과증발막, 연료전지 등의 적용을 목적으로 한다. 가교방법으로는 UV나 가열 등을 통해 이루어질 수 있음을 보여 주었으나 전자빔의 적용방법에 대한 실시예는 없다. 또한 친수성막 제조에 대한 것으로 리튬전지 등과 같은 유기용매를 적용하는 전지에 적용할 수 있는지에 대한 것은 언급이 없다.
대한민국 공개특허 10-2001-0066214에서는 열가소성수지 (폴리올레핀계)에 유기 또는 무기 충진제를 적용하여 얻어진 비연신 필름을 연신을 진행하여 공극을 만든다. 이러한 충진재료는 내부저항을 줄여주는 역할을 하며, 전지의 충전/방전 특성을 향상시켜주는 것으로 보고되었다. 또한 다공성 필름을 구성하는 열가소성 수지는 전자빔의 조사에 가교될 수 있음을 제시하였다. 그러나 전자빔이외의 소스에 대해서는 실시된 결과가 없다. 전자빔에 대해서도 실시결과는 나타나 있지 않다.
대한민국 공개특허 10-1997-032655에서는 리튬이차전지의 충방전 수명과 안전성을 증대시키기 위해, 진공열증착, 진공전자빔증착, 스퍼터링증착, 화학증착 등의 방법을 적용하여 전지분리막 표면에 전도성층을 도포하였다, 그러나 분리막 자체의 물성변화나 기계적강도의 향상 등에 대한 언급이 없고 일반적으로 기대하기 어렵다. 실시예에 있어서는 상용분리막에 스퍼터링 방법을 적용하여 나노미터 두께의 금을 증착시켜 전기적인 시험 즉 전지의 충전/방전 평가를 진행하였다.
대한민국 공개특허 10-1999-049415에서는 리튬이온폴리머전지의 전지 구성물질인 비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머에 가교제와 가소제를 섞은 후 전자빔을 조사하여 특성을 고찰하였다. 이를 통하여 전극과 분리막간의 접착력을 좋게하고 계면저항을 감소시켰으나, 일반적인 리튬전지의 분리막인 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 등에 대해서는 언급이 없다. 또한 분리막 자체의 공극변화나 열수축율, 전기저항 대한 물성 변화를 예측하기 어렵다. 그리고 리튬전지의 중요한 특성인 고온 안전성에 대한 영향을 알 수 없다는 한계점이 있다.
본 발명은 고내열성 다공성 미세 분리막에 대한 것이다. 다공성 미세 분리막이 가장 널리 쓰이는 영역이 전지이다. 전지 분리막(separator)은 전극들이 이온 전도도를 유지하면서 서로 격리되어야 하기 때문에 사용되는 것으로, 통상적으로 높은 이온 투과성, 기계적 강도, 전해질에 대한 장기적 안정성을 가지는 다공성의 절연성 재료를 사용한다. 양극과 음극을 전기적으로 충분히 절연되어야 하지만 전해질은 투과성이어서 이온 전도성이 있어야 한다.
현재 리륨전지에 사용되는 분리막은 주로 폴리올레핀 계열의 다공성 유기 고분자 필름이나 무기/유기 부직포, 예를 들면 유리나 세라믹, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 종이 등의 부직포로 구성된다. 이 중 유기 폴리올레핀 계열 분리막의 최대 단점은 150도 미만의 낮은 열적 안정성이다. 폴리올레핀의 분자량을 많이 크게 하더라도 고유의 특성상 약 130도에서 용융 현상이 일어나고, 그 온도이전에도 다공성 연신 필름의 특성상 강한 수축 저항을 받게 된다. 물론 분리막이 용융됨으로써 양극과 음극을 완전히 분리하게 되는 셧다운 메커니즘에 의한 안전성 확보 효과가 있기는 하지만 그 이전에 수축현상이 일어나 단락의 가능성이 있다.
본 발명은 폴리올레핀 분리막에 방사선 및 전자빔을 조사시켜 내부적인 가교반응 진행을 통해 열적 기계적 강도를 증가시킴으로써 전지의 안전성을 높이고자 한다.
(1) 방사선 및 전자빔을 이용한 고분자가공
방사선은 물체를 투과하거나 이온화시키는 능력과 살균력을 갖고 있다. 또 물체를 투과하는 과정에서 물질이 가지는 특성을 변화시키기도 한다. 1950년대 방사선 조사에 의한 폴리에틸렌의 가교반응이 발견된 이후로 미국, 일본 등을 중심으로 각종 산업에서 방사선이 본격적으로 이용되고 있다 [방사선을 이용한 고분자 재료의 가공, 고분자과학과 기술 제 18 권 3 호 2007년 6월, 최재학ㆍ이윤종ㆍ임윤묵ㆍ강필현ㆍ신준화ㆍ노영창].
방사선은 크게 형태별, 전자의 전리 능력의 유무, 발생원리 등에 따라 여러 가지로 구분될 수 있다. 방사선을 조사하는 장치로는 Co(60) 핵종을 이용한 감마선 조사 장치, 전자선 가속기, 이온 빔 가속기 등이 있으며 이 중 감마선과 전자선 가속기 시설이 가장 많이 상업적으로 이용되고 있다. 150∼300keV 정도의 에너지를 갖는 전자선의 경우 표면 코팅의 경화에, 1.5MeV 정도의 에너지를 갖는 전자선의 경우 전선 절연 재료의 가교에, 10MeV 정도의 에너지를 갖는 전자선의 경우 감마선과 비슷하게 일회용 의료용품의 멸균에 사용되고 있다.
(2) 폴리올레핀 분리막의 방사선 또는 전자빔 조사
본 발명은 제조완료된 폴리올레핀 분리막 또는 제조진행중의 폴리올레핀 분리막에 방사선이나 전자빔을 조사함으로써, 분리막의 기계적 물성을 향상시켰다. 이를 통 해 일반적인 폴리올레핀 분리막에 비해 열수축이 매우 작아져서 150도 이상의 고온상태에서도 전지 내부의 단락을 막아 안전성을 향상시켰다.
본 발명으로 제조된 폴리올레핀 분리막은 고온에서의 수축율, 탄성 계수 등 열적강도가 크게 향상될 뿐만 아니라 제3 성분의 첨가나 도포, 코팅 등의 과정이 없기 때문에 기존의 방법으로 제조된 폴리올레핀 분리막에 비해 막 두께에서 전혀 차이가 없다. 아울러 별도의 코팅성분이나 첨가물을 넣지 않아서 전지를 사용하거나 보관중에 발생할 수 있는 부가반응이 전혀 없다. 추가의 공정 설비투자가 필요 없이 대량으로 처리가 가능하기 때문에 단가 상승이 거의 없다. 또한 분리막을 제조한 뒤에 보관상자 또는 패키지 상태로도 처리가 가능하기 때문에 작업의 유연성이 매우 높다.
1. 원재료
(1) 본 발명에 적용되는 원재료는 다음과 같다.
고분자 미세 다공막은 주로 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene), 폴리에틸렌/폴리프로필렌(PE와PP 복합체로써 PP/PE/PP, PE/PP/PE 등의 형태로 제조됨) 등으로 제조된 것으로 한다. 제조된 막은 일반적으로 두께가 5~30㎛ 범위이고, 기공율이 30~60% 범위이고, 공극의 직경이 0.005~1㎛, 인장강도가 50MPa이상, 바람직하게는 100MPa이상인 것이 바람직하다.
(2) 덧붙이면 폴리올레핀 미세 다공성 막두께는 0.1~50㎛, 바람직하게는 5~30㎛ 정도이다. 두께가 5㎛ 미만에서는 막의 기계적 강도 부족에서 유용하게 사용하기 어렵고, 50㎛가 초과하면 유효저항이 커져서 바람직하지 못하다.
(3) 공극율이 너무 크면 (60% 이상으로) 막제조가 어렵고, 30%이하이면 유효저항이 커진다. 공극직경이 0.005㎛이하이면 이온통과가 어려워서 유효저항이 커지면, 1㎛이상이면 내부단락의 위험이 있다.
(4) 본 발명에 적용되는 고분자 미세 다공막은 가공되지 않은 열가소성 수지를 기본으로 한다. 그러나 화학적 중합에 의해 일부 또는 전면적으로 가교된 고분자 미세 다공막을 대상으로 해도 된다.
2. 방사선 조사방법
(1) 가교에 적용되는 유형으로 전자파를 적용하는 경우 감마선, X선이 가능하다. 그 중에서 감마선이 좀 더 적합하다.
(2) 전자빔 가속기나 이온빔 가속기를 적용할 수 있다. 이 중 전자선 가속기가 좀 더 상업적으로 널리 이용된다. 전자빔 가속기의 경우 가속전압이 150keV~300keV인 경우에는 고분자 재료의 표면 코팅경화에 주로 사용되며, 가속전압이 1.5MeV 정도인 경우에는 전선 절연재료의 가교에 사용되고, 10MeV 정도의 범위에는 의료용품의 멸균에 사용된다.
(3) 흡수될 방사선의 선양은 바람직하게는 10Gy~200kGy 더욱 바람직하게는 0.1kGy~50kGy이다. 흡수된 방사선양이 10Gy 미만인 경우 수지 가교효과가 불충분하며, 반면에 흡수된 방사선 양이 200kGy를 초과하는 경우에는 분자간의 결합이 파괴되어 강도가 상당히 저하되므로 바람직하지 않다. 조사되는 시간은 최소 1분을 최대 120시간으로 한다. 이 때 가해진 방사선 또는 전자빔의 전사율(Dose Rate)을 최소 0.08Gy/Hr로, 최대 12MGy/Hr로 한다.
3. 방사선 조사환경 및 시료조건
(1) 본 발명이 고분자 미세 다공막에 방사선 또는 전자빔을 조사하는 것은 공기, 질소, 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스하에 수행될 수 있다.
(2) 방사선 또는 전자빔을 조사하는 경우 고분자 미세 다공막 시료의 상태는 미세 다공막 자체(단독) 또는 Carton Box내에, 종이 Box 포장지에 있는 경우로 한다.
다음은 실제 예를 따라 본 발명을 구체적으로 설명하고, 본 발명은 이 실제 예를 통해 아무런 제한되는 것은 아니다.
원재료는 폴리에틸렌으로 제조된 다공성 미세 분리막으로 하였다. 시료의 두께는 20㎛이며, 인장강도는 147MPa이다. 공극의 평균직경은 0.05㎛ ㎛이고, 기공율은 41%이다.
방사선 조사원으로는 감마선을 적용하였다. 방사선 (감마선) 조사는 10kGy/Hr의 속도로, 최대 20시간 동안 조사하면서 시료를 채취하였다. 방사선 조사환경은 상온에서 공기 분위기하에 진행하였다.
표1은 폴리올레핀 분리막에 방사선(감마선)을 조사하여, 선량에 따른 기계적 물성변화를 나타낸 것이다. 여기에서 기계적 물성 측정은 인장신율 시험규격(ASTM D882)을 적용해서 이루어졌으며, 분리막의 탄성율(Young's Modulus)와 연신율(Elongation) 값의 변화를 얻었다.
방사선의 흡수선량(Dose)이 증가함에 따라 분리막의 탄성율(Young's Modulus) 값이 커진다. 이 때 흡수선량이 40kGy에서 80kGy 정도에서 최대 값을 보인 후 서서히 감 소한다. 연신율(Elongation) 값은 흡수선량이 커짐에 따라 계속 감소하였다. 이는 방사선 흡수선량에 따른 분리막의 기계적물성이 급격하게 변한다는 것을 나타낸다.
도 1은 방사선(감마선)을 조사한 것과 조사하지 않은 분리막에 대해 고온 보관시간에 따른 수축율 변화를 나타낸 것이다. 분리막의 수축양은 열적 치수안정성 측정법(ASTM D1024)를 적용하여 측정하였다.
방사선(감마선)을 조사하지 않은 분리막을 130도 오븐에 넣어서 보관한 뒤, 5분이 경과하면 20%, 10분이 경과하면 30%정도가 수축되는 것으로 확인되었다. 150도에서 보관하는 경우 5분 경과시 33%, 10분 경과시 52% 정도 변형(수축)되는 것으로 나타났다.
반면에 방사선(감마선)을 상기의 조건으로 조사한 분리막의 경우, 130도에서 보관시 10분 경과시 5%, 20분 보관시 10% 정도 수축되는 것으로 확인되었다. 150도에서 보관하는 경우 10분경과시 8%, 20분 경과시 20% 정도로 수축되는 것을 확인하였다. 따라서 별도의 첨가물이 없어도 방사선의 조사만으로도 분리막의 고온 수축율을 크
게 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 2는 방사선 흡수선량에 따른 결정화 특성을 나타낸 것이다. 여기서 분리막의 결정화도는 시차주사열량계(DSC, Differential Scanning Calorimetry)를 사용하여 측정하였다.
방사선 흡수선량이 0에서 50kGy가 되는 영역에서는 흡수선량이 증가할수록 결정화도가 증가한다. 반면에 흡수선량이 50kGy에서 200kGy가 되는 영역에서는 결정화도가 크게 변하지 않았다. 이는 방사선의 조사가 진행되는 동안에 분자간의 재배열을 통해 무정질구조(Amorphous)에서 결정화조직(Crystalline)로 전환되는 것을 알 수 있다. 이러한 물성변화가 분리막의 고온 내구성을 증가시키는 것으로 나타났다.
1) 하이브리드카(HEV)용 전지
하이브리드카(HEV)용 전지는 무공해 자동차로서도 각광받고 있다. 이러한 기대와 기술개발에도 불구하고 전지의 안전성 확보가 절실한 실정이다 [하이브리드 전기자동차용 고출력 리튬 이차전지, 한국과학기술정보연구원, 부품 소재 종합정보망, 2007년].
본 발명을 적용함으로써 하이브리드카(HEV)용 전지에 고온 안전성을 획기적으로 높일 수 있다.
2) 연료전지
PEMFC와 DMFC용 연료전지 분리막은 전극 셀을 단락하기 위한 재료로서, 연료 가스와 공기를 차단하는 기능을 맡고 있으며, 그외에 연료 가스와 공기의 유로 확보, 전도성, 내식성, 열전도성 등이 요구된다. 또한 분리막은 전극에서 일어나는 화학 반응과 반응열에 의해 화학적 및 물리적으로 변화하지 않아야 하고, 외부 회로에 전류를 흐르게 하는 역할도 해야 한다 [연료전지 전해질막 기술시장정보, 한국과학기술정보원 산업정보분석팀, 2007년 5월, 이준우].
3) 수처리용 분리막
해수 담수화, 초순수 제조, 가정용 정수, 고도 정수 처리, 생활폐수, 폐수 재활용, 침출수 관리
4) 의료용막
혈액 투석, 여과, 혈장분리,산소부화공기 제조
도 1은 방사선(감마선)을 조사한 것과 조사하지 않은 분리막에 대해 고온 보관시간에 따른 수축율 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 방사선 흡수선량에 따른 결정화 특성을 나타낸 것이다.
| Dose 양 (kGy) | 0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 110 | 140 | 170 | Remark |
| Young's Modulus (kgf/mm2) | 53 | 68 | 80 | 82 | 77 | 76 | 76 | 75 | |
| Elongation (%) | 140 | 131 | 115 | 101 | 89 | 77 | 73 | 69 |
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- 폴리올레핀으로 제조된 고분자 미세 다공막에 감마선을 흡수선량이 10Gy~200kGy이 되도록 1분~120분 동안 조사하여 제조되되,상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene) 또는 폴리에틸렌/폴리프로필렌 공중합체이며, 미세 다공막은 두께가 5~30㎛ 범위이고, 기공율이 10~60% 범위이고, 공극의 직경이 0.005~1㎛, 파단 인장강도가 80MPa이상인 것을 특징으로 하는 고내열성 다공성 미세 분리막.이상의 불활성 가스 분위기에서 감마선의 조사가 이루어지는 것을 특징으로 하는 고내열성 다공성 미세 분리막.
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