KR101512170B1 - Solid electrolyte based Nonwoven separator for lithium Secondary Battery and its making method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬이차전지용 복합 부직포 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬이차전지용으로 사용되는 부직포 분리막으로서, 종전수준의 내열성, 열수축성, shut down 기능을 유지하면서도 이온전도도가 높고 대극에서의 금속이온 석출이 없는, 리튬이차전지용 고체전해질 복합 부직포 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 리튬이차 전지용 부직포 분리막은 폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile)의 부직포 분리막에서 양극에 마주하는 면에 LAGP(리튬-알루미늄-저마늄-포스테이트)가 부착되어, LAGP가 부착된 층과 LAGP가 부착된 층으로 구분되는 2중 구조를 갖는 고체전해질 복합 부직포 분리막으로서, 이의 제조방법은 LAGP 시료와 PAN시료를 용매에 분산시킨 후, 분산시킨 용액을 미리 준비된 PAN 세퍼레이터의 한쪽면에 전기방사를 실시한 다음, 고온에서 압착하여 제조된다.
The present invention relates to a composite nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nonwoven fabric separator used for a lithium secondary battery, which has a high heat conductivity, Which is free from precipitation of metal ions in a lithium secondary battery, and a method for producing the same.
The nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery according to the present invention is a non-woven fabric separator of polyacrylonitrile (PAN), which has a LAGP (lithium-aluminum-germanium-for-state) The present invention relates to a method for producing a solid electrolyte composite nonwoven fabric separating membrane, which comprises separating a LAGP sample and a PAN sample into a solvent, and then dispersing the solution in a solvent is applied to one side of a previously prepared PAN separator by electrospinning Followed by squeezing at a high temperature.

Description

리튬이차전지용 고체 전해질 복합 부직포 분리막 및 이의 제조방법{Solid electrolyte based Nonwoven separator for lithium Secondary Battery and its making method}Technical Field [0001] The present invention relates to a solid electrolyte based nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery,

본 발명은 리튬이차전지용 복합 부직포 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬이차전지용으로 사용되는 부직포 분리막으로서, 종전수준의 내열성, 열수축성, shut down 기능을 유지하면서도 이온전도도가 높고 대극에서의 금속이온 석출이 없는, 리튬이차전지용 고체전해질 복합 부직포 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a composite nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nonwoven fabric separator used for a lithium secondary battery, which has a high heat conductivity, Which is free from precipitation of metal ions in a lithium secondary battery, and a method for producing the same.

근래의 다양한 휴대용 전자기기의 보급 및 고성능화를 수반하고, 고 에너지밀도를 가지는 리튬이차전지 사용이 바람직하다. 또한, hybrid 자동차 등 환경 대응을 의식한 자동차가 수많이 개발되어 있지만, 탑재되는 전원의 하나로서 고에너지 밀도를 가지는 리튬이차전지가 크게 주목받고 있다. 리튬이차전지의 대부분은 양극, 전해액, 세퍼레이터, 음극으로 구성되어 있다. 세퍼레이터(separator) 주된 기능으로서 양극과 음극의 단락 방지이지만, 요구 특성으로 리튬이온의 이동도, 강도, 내구성 등이 있다. It is desirable to use a lithium secondary battery having a high energy density accompanied with the recent spread of various portable electronic devices and high performance. In addition, although a number of automobiles conscious of environmental response such as hybrid automobiles have been developed, a lithium secondary battery having a high energy density has attracted much attention as one of the power sources to be mounted. Most of the lithium secondary batteries are composed of an anode, an electrolyte, a separator, and a cathode. Separator The main function is to prevent shorting of the positive electrode and the negative electrode. However, the required characteristics are the mobility, strength and durability of lithium ion.

현재의 리튬이차전지에 사용되는 세퍼레이터(분리막)에서는 폴리에틸렌(Polyethyiene)등의 폴리올레핀(Polyolefin)계가 일반적으로 사용되고 있다. 폴리올레핀(Polyolefin)은 리튬이차전지의 요구 특성을 충족시키고, 또한 고온시의 안정 기능으로서 고온에 의한 구멍의 폐색으로부터 전류를 차단하는 것에 의한 열 폭주 방지 기능, shut down 기능을 갖고 있어서 폭 넓게 사용되고 있다. 그렇지만 온도 상승에 의하여 구멍이 폐색되고, 전류가 차단되어도 전지의 온도가 다공막을 구성하는 폴리에틸렌의 융점(130℃)을 넘고, 내열성의 한계를 넘는다면 shot down 기능을 잃어버린다. 그 결과 전극간의 단락을 계기로 전지의 열폭주가 일어나고 발화에 의한 사고 발생 등을 초래하는 우려가 있다. 이 때문에 새로운 안정성 확보를 위해 고온 시에도 shot down기능을 유지할 수 있는 세퍼레이터가 요구된다.In the current separator used in lithium secondary batteries, polyolefin such as polyethylene is generally used. Polyolefin is widely used because it satisfies the required characteristics of a lithium secondary battery and also has a function of preventing a heat congestion by shutting off a current from the occlusion of a hole due to a high temperature and a shut down function as a stabilizing function at a high temperature . However, even if the hole is closed due to the temperature rise and the current is cut off, the temperature of the battery becomes higher than the melting point (130 ° C) of the polyethylene constituting the porous film and the heat resistance is exceeded, the shot down function is lost. As a result, thermal congestion of the battery may occur due to a short circuit between the electrodes, which may cause accidents due to ignition. For this reason, a separator capable of maintaining a shot down function even at a high temperature is required in order to secure new stability.

이러한 산업적 요구에 따라 최근에는 기존 폴리올레핀계 다공성 세퍼레이터 대신 부직포 형상의 세퍼레이터가 활발히 검토되고 있다. 열접착에 의하여 만들어진 부직포(Non-woven) 세퍼레이터는 건/습식공정법에 의한 다공성 세퍼레이터와 비교하였을 때 상대적으로 큰 기공도의 영향으로 전반적인 전지 신뢰성이 우수하며, 또한 고온에서의 형상 수축율이 작아 우수한 열적 안정성도 확보가 가능하여 전기자동차용 전지와 같은 대용량 전지사용에 주목 받고 있다. 하지만 부직포 세퍼레이터의 경우 지나치게 큰 기공 크기 및 불균일한 표면으로 인하여 양극으로부터의 용출된 금속이온이 음극으로 이동하여 금속석출이 일어나고 이로 인한 덴드라이트 형성에 의하여 내부 단락 현상 등이 발생하는 문제점을 가지고 있다. In accordance with such industrial requirements, a separator in the form of a nonwoven fabric instead of a conventional polyolefin-based porous separator has been actively studied. The non-woven separator made by thermal bonding has excellent overall battery reliability due to the relatively large porosity as compared with the porous separator manufactured by the dry / wet process, and the shrinkage ratio at high temperature is small Thermal stability can be ensured and attention is paid to the use of a large-capacity battery such as an electric vehicle battery. However, in the case of the nonwoven fabric separator, the metal ions eluted from the anode migrate to the cathode due to an excessively large pore size and uneven surface, and metal precipitation occurs, thereby causing internal short circuit due to dendrite formation.

이와 같은 부직포 세퍼레이터의 기술적 문제점을 개선하기 위하여 예를 들면(일본 공개특허공보 특개소 60-52호(1985. 1.5)] 폴리프로필렌 부직포 등에 폴리에틸렌 분말을 접착한 세퍼레이터가 제안되어 있다. 그렇지만 폴리프로필렌(Polypropylene)은 융점이 165℃부근이고 shot down 기능이 발현되지 않은 경우, 부직포가 용융하고 수축하여 새로운 열폭주의 가능성이 있다. 또 부직포의 섬유 길이나 섬유에 접착되는 폴리에틸렌(Polyethyiene)의 미립자의 입경 등에 대한 상세한 기재가 이루어지고 있지 않고 내부 저항 등의 문제가 있고, 충분한 전지 특성을 발현할 수 있다고 말할 수 없다는 단점이 있다. In order to improve the technical problems of such a nonwoven fabric separator, for example, JP-A 60-52 (1985. 1.5)], a separator in which polyethylene powder is adhered to a polypropylene nonwoven fabric has been proposed. Polypropylene) has a melting point near 165 ° C. and does not show a shot down function, the nonwoven fabric may be melted and shrunk to cause a new thermal runaway. In addition, the particle diameter of polyethylene (Polyethyiene) And the like, there is a problem such as internal resistance and the like, and it can not be said that sufficient battery characteristics can be expressed.

또한, 예를 들면[일본 공개특허공보 특개 2004-115980호(2004.4.5)], 저융점 수지 성분과 고융점 수지 성분으로 되는 극세 섬유를 주체라고 하는 부직포를 세퍼레이터(ex. PAN separator)로서의 이용하는 것으로, 전지 내부의 온도가 상승한 경우, 저융점 수지 성분이 용융하고, 섬유간의 작은 구멍을 막는 것에 의해, shot down 기능을 발현시킨 것이 제안 되어 있다. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-115980 (Apr. 4, 2004) discloses a method of using a nonwoven fabric mainly composed of a low melting point resin component and a high melting point resin component as a separator It has been proposed that, when the temperature inside the battery rises, the low-melting-point resin component is melted and a small hole between the fibers is closed, thereby exhibiting a shot down function.

그러나, 같은 세퍼레이터에 있어서는, 부직포의 강도를 발현시키기 위해, 저융점 수지 성분을 용융시키고 섬유간을 충분히 경합시킨 필요가 있지만, 강도 발현에 필요한 온도와 shut down 온도의 차이가 작고, 강도를 유지하면서, 섬유간의 세공경이나 작은 구멍 수를 제어하는 것은 곤란하다. 또한 shot down 기능이 충분히 발현하지 않은 경우, 부직포 자체가 용융 수축할 가능성이 있다는 단점이 있었다.However, in the same separator, in order to develop the strength of the nonwoven fabric, it is necessary to melt the low-melting-point resin component and sufficiently knit the fibers, but the difference between the temperature required for the strength development and the shutdown temperature is small, , It is difficult to control the pore size or the small pore size between the fibers. In addition, when the shot down function is not sufficiently developed, there is a disadvantage that the nonwoven fabric itself may melt and shrink.

현재까지 연구된 첨가제 코팅 복합 세퍼레이터는 기계적강도와 열수축성은 개선하였지만 이온전도도의 저하되는 문제와 고전압에서의 반응성 억제를 못하는 문제점이 생겨 충분한 전지 특성을 발현 시킬 수가 없었다.
Although the additive coating composite separator thus far studied has improved mechanical strength and heat shrinkability, it has been unable to exhibit sufficient cell characteristics due to the problem of deterioration of ionic conductivity and inhibition of reactivity at high voltage.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 현재 부직포 세퍼레이터 수준인 내열성 및 열수축성, shut down 기능을 유지하고, 추가로 이온전도도도 높이고, 대극에서의 금속이온이 석출을 막는 기능을 가지는 리튬이차전지용 세퍼레이터로서의 사용이 가능한 고체전해질 복합 부직포 세퍼레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to provide a nonwoven fabric separator which maintains heat resistance and heat shrinkability at a current nonwoven fabric separator level, a shut down function, further increases ion conductivity, It is an object of the present invention to provide a solid electrolyte composite nonwoven fabric separator which can be used as a separator for a lithium secondary battery having a function as a separator.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood from the following description.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명의 리튬이차 전지용 부직포 분리막은 양극에 마주하는 면에는 고체 전해질이 부착되고, 음극에 마주하는 면에는 고체전해질이 부착되지 않는, 2중 구조를 가지는 고체전해질 복합 부직포 분리막이다. The nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery according to the present invention is characterized in that a solid electrolyte is attached to a surface facing a positive electrode and a solid electrolyte is not attached to a surface facing the negative electrode, Is a solid electrolyte composite nonwoven fabric separator.

바람직하게는, 고체 전해질은 LAGP(리튬-알루미늄-저마늄-포스테이트)이며, 보다 바람직하게는 LAGP는 [Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3]의 화학식을 갖는다. Preferably, the solid electrolyte is LAGP (lithium-aluminum-germanium-perovskite), more preferably LAGP has the formula [Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ].

본 발명의 리튬이차 전지용 부직포 분리막은 폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile)의 부직포 분리막에서 양극에 마주하는 면에 LAGP(리튬-알루미늄-저마늄-포스테이트)가 부착되어, LAGP가 부착된 층과 LAGP가 부착된 층으로 구분되는 2중 구조를 갖는 고체전해질 복합 부직포 분리막이다. The nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery according to the present invention is a non-woven fabric separator of polyacrylonitrile (PAN), which has a LAGP (lithium-aluminum-germanium-for-state) LAGP-bonded layer separated by a layered structure of a solid electrolyte composite nonwoven fabric.

본 발명의 리튬이차전지용 부직포 분리막의 제조방법은 LAGP 시료와 PAN시료를 용매에 분산시킨 후, 분산시킨 용액을 미리 준비된 PAN 세퍼레이터의 한쪽면에 전기방사를 실시한 다음, 고온에서 압착하여 제조된다. The method for producing a nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery according to the present invention comprises dispersing a LAGP sample and a PAN sample in a solvent and then dispersing the solution in the solvent by electrospinning one side of a PAN separator prepared in advance and then pressing it at a high temperature.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 LAGP는 [Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3] 의 화학식을 가지며, 상기 용매는 DMF(N,N-dimethylformamide)이 사용된다.
According to a preferred embodiment, the LAGP has the formula [Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ], and the solvent is DMF (N, N-dimethylformamide).

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 고체전해질 복합 부직포 세퍼레이터(분리막)은 현재 부직포 세퍼레이터의 수준인 내열성 및 열수축성, shut down기능을 유지하고, 추가로 이온전도도를 높이고 대극에서의 금속이온이 석출을 막는 기능을 가지는 전지용 세퍼레이터(separator)로서의 사용이 가능하다. 따라서, 본 발명의 고체전해질 복합 부직포 분리막은 고성능화을 수반하고, 고에너지밀도를 가지는 리튬이차전지 사용이 바람직하다.As described above, the solid electrolyte composite nonwoven fabric separator (separator) of the present invention maintains the heat resistance, heat shrinkability and shut down function of the nonwoven fabric separator at present, further enhances the ion conductivity and precipitates metal ions in the counter electrode It is possible to use it as a separator for a battery having a function of blocking the battery. Therefore, the solid electrolyte composite nonwoven fabric separator of the present invention is preferably a lithium secondary battery with high performance and high energy density.

본 발멸의 고체전해질 복합 부직포 분리막은 전기방사라는 간단한 방법을 고체 전해질을 세퍼레이터의 한쪽면(양극에 마주보는 면)에 부착할 수 있음으로 제조과정이 간단하고, 작업효율이 높다는 장점이 있다.
The solid electrolyte composite nonwoven fabric separator according to the present invention is advantageous in that a simple method of electrospinning can be attached to one surface (a surface facing the anode) of the separator, thereby simplifying the manufacturing process and increasing the working efficiency.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 복합 세퍼레이터의 구조 및 전기 방사과정을 도식화한 도면이다.
도 2는 세퍼레이터를 적용한 파우치 셀의 부품 구성도 및 파우치 셀의 조립과정을 나타낸다.
도 3은 PE 세퍼레이터, PAN 세퍼레이터, 실시예 1의 복합 세퍼레이터 각각에 대해서 SEM 사진이다.
도 4는 PE 세퍼레이트를 적용한 파우치 full cell과, 실시예에 의해 제조된 full cell에 대한 상온 및 고온에서의 전기화학적 충방전 싸이클 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 PE 세퍼레이트를 적용한 파우치 full cell과, 실시예에 의해 제조된 full cell에 대해, 전지의 고율 방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 PAN 세퍼레이트를 적용한 파우치 full cell과, 실시예에 의해 제조된 파우치 full cell에 대해서 연속 충전을 진행한 후에 음극 표면(SEM BS-image) 위에 EDS 조성을 분석한 결과이다.
도 7은 PE 세퍼레이트와, 실시예에 의해 제조된 복합 세퍼레이트에 대한 열수축 거동을 보여주기 위한 사진이다.
도 8은 PE 세퍼레이트를 적용한 파우치 풀셀 전지와, 실시예에 의해 제조된 파우치 풀셀 전지에 대해서 상대적인 열안정성 여부를 확인하기 위한 ARC(가속열량실험) 실험에 따른 결과 그래프이다.
FIG. 1 is a diagram illustrating the structure and electrospinning process of a composite separator according to a preferred embodiment of the present invention.
Fig. 2 shows a component construction diagram of a pouch cell to which a separator is applied and an assembling process of the pouch cell.
3 is an SEM photograph of a PE separator, a PAN separator, and a composite separator of Example 1, respectively.
4 is a graph showing the electrochemical charge / discharge cycle characteristics at full temperature and at high temperature for a full cell manufactured using a PE separator and a full cell manufactured by the embodiment.
5 is a graph showing a high rate discharge characteristic of a battery with respect to a full cell made of a pouch separator to which a PE separator is applied and a full cell manufactured according to an embodiment.
FIG. 6 shows the result of analyzing the EDS composition on the cathode surface (SEM BS-image) after continuously filling the pouch full cell to which the PAN separator was applied and the pouch full cell prepared in the example.
Fig. 7 is a photograph showing the heat shrinkage behavior of the PE separator and the composite separator produced by the embodiment. Fig.
8 is a graph showing results of an ARC (Accelerated Calorimetry) experiment to determine the relative thermal stability of a pouch pull cell equipped with a PE separator and a pouch pull cell manufactured according to an embodiment.

본 발명자는 종래의 PE(폴리에틸렌, Polyethyiene) 세퍼레이터와, PAN(Poly acrylonitrile) 세퍼레이터의 문제점을 해결하고자, 이온 전도도가 높을 것으로 기대되는 고체전해질로 사용되는 LAGP(리튬-알루미늄-저마늄-포스테이트, 특히 Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3] 시료를 PAN(Poly acrylonitrile)시료와 함께 혼합하여, 기존의 PAN 세퍼레이터 상에 전기 방사함으로써, 한쪽면에만 고체전해질인 LAGP를 부착시킨 복합 세퍼레이터를 개발하였다. In order to solve the problems of conventional PE (polyethylene, polyethyiene) separator and PAN (poly acrylonitrile) separator, the present inventors have proposed a LAGP (lithium-aluminum-germanium- In particular, Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ] was mixed with PAN (polyacrylonitrile) samples and electrospinning on a conventional PAN separator to develop a composite separator with a solid electrolyte LAGP on one side only Respectively.

즉, 본 발명의 고체 전해질 복합 세퍼레이터는 PAN 부직포 세퍼레이터의 양극과 마주하는 한쪽면에 이온전도도가 높은 LAGP이 부착된 복합 부직포 세퍼레이터이다. That is, the solid electrolyte composite separator of the present invention is a composite nonwoven fabric separator having a LAGP having a high ionic conductivity attached to one side of the PAN nonwoven fabric separator facing the anode.

본 발명의 고체 전해질 복합 세퍼레이터의 제조방법은 먼저, 고체전해질로 사용되는 LAGP[Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3]의 시료(분말)와 PAN 시료(분말)를 DMF 용액에 혼합하여 분산시킨 후, 미리 준비된 PAN 세퍼레이터의 한쪽면에 전기 방사를 실시한 다음, 전체적으로 고온의 온도에서 압착시켜 양극과 마주하는 한쪽면에 LAGP가 부착된 복합 세퍼레이터를 완성하게 된다. In the method for producing a solid electrolyte composite separator of the present invention, a sample (powder) of LAGP [Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ] used as a solid electrolyte and a PAN sample (powder) Then, one surface of the PAN separator prepared in advance is subjected to electrospinning, and then compressed at a high temperature as a whole to complete a composite separator having LAGP attached on one surface facing the anode.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 복합 세퍼레이터의 구조를 나타낸다.1 shows a structure of a composite separator according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명의 복합 세퍼레이트는 PAN 세퍼레이터만으로 이루어진 부분과, LAGP이 부착된 PAN 세퍼레이터로 이루어진 부분으로 2중 구조를 가진다. PAN 세퍼레이터만으로 이루어진 부분은 음극에 마주하는 부분이며, LAGP이 부착된 PAN 세퍼레이터로 이루어진 부분은 양극에 마주하는 부분이다. The composite separator of the present invention has a double structure consisting of a portion made only of the PAN separator and a portion made of the PAN separator having the LAGP attached thereto. The part made only of the PAN separator faces the negative electrode, and the part made of the PAN separator having the LAGP is the part facing the positive electrode.

이처럼 본 발명에서 2중 구조를 가지는 이유는 만약 음극과 마주보는 면에도 고체전해질인 LAGP가 형성되게 되면, 양극의 리튬이 분리막을 통해 음극쪽으로 이동하면서 음극에서의 리튬-oxygen간의 결합 반응보다 고체전해질의 LAGP에서 Ge-oxygen의 결합이 더 반응하여 Ge가 환원되서 전도성도 떨어지게 되어 그 기능에 대한 역할을 못하게 된다. The reason for having the double structure in the present invention is that if the solid electrolyte LAGP is formed on the surface facing the negative electrode, the lithium in the positive electrode moves to the negative electrode through the separator and the solid electrolyte In the LAGP, the bond of Ge-oxygen is further reacted to reduce the conductivity of Ge due to the reduction of Ge, and the function of the function is lost.

따라서, 본 발명의 고체전해질 복합 부직포 분리막에서는 양극에 마주하는 면에는 고체 전해질이 부착되나, 음극에 마주하는 면에는 고체전해질이 부착되지 않는, 2중 구조를 가지게 되는 것이다. Therefore, in the solid electrolyte composite nonwoven fabric separator of the present invention, a solid electrolyte is attached to the surface facing the anode, but a solid electrolyte is not attached to the surface facing the anode.

LAGP(리튬-알루미늄-저마늄-포스테이트)은 고체전해질로 사용하는 시료로서, 전지의 고체 전해질은 이온 전도도가 높고 내구성이 뛰어난 무기물 계열과 생산성이 높은 고분자 계열로 나눌 수 있다. LAGP (lithium-aluminum-germanium-for-state) is a sample used as a solid electrolyte, and a solid electrolyte of a battery can be divided into an inorganic type having high ionic conductivity and durability and a polymer type having high productivity.

무기물 계열은 다시 황화물 계열과 산화물 계열로 나뉜다. 그 중 현재 가장 많은 진전을 보이고 있는 고체 전해질은 황화물 계열로 10-3S/cm로 전해액 수준의 이온 전도도를 갖춘 재료가 개발되고 있다. The mineral series is again divided into the sulfide series and the oxide series. Among them, the solid electrolytes showing the most progress are sulfide series materials having an ionic conductivity of 10 -3 S / cm at the electrolyte level are being developed.

대표적인 것으로 나트륨 이온의 전도성을 갖는 나시콘(NASICON-Na Super Ionic Conductor) 구조의 고체전해질이 있다. 삼차원 침입형 구조를 가짐으로써 리튬이온의 이동이 모든 방향에서든 용이하여 높은 이온전도도를 기대 할 수 있고, 기존에 많이 연구되었고 황화물계 고체전해질에 비해 취급이 쉽고 열 안정성과 화학적 안정성이 우수하다. A representative example is a solid electrolyte having a structure of NASICON-Na Super Ionic Conductor having conductivity of sodium ion. Due to the three-dimensional interstitial structure, lithium ion migration is easy in all directions and high ion conductivity can be expected. It has been studied extensively and is easier to handle than the sulfide-based solid electrolyte, and has excellent thermal stability and chemical stability.

NaM2(PO4)3구조의 물질로 Na, M자리에 대신 다른 물질들을 치환하여 A1+xMxM'1-x(PO4)3식으로 표시할 수 있다. 이 나시콘 구조의 높은 입계저항을 개선한 Li 등 Ge-O 결합이 강한 공유결합을 지니고 있음으로, 본 발명에서는 이온전도도를 높일수 있는 고체전해질로서 LAGP(리튬-알루미늄-저마늄-포스테이트)를 사용하였다. NaM 2 (PO 4 ) 3 structure can be represented by A 1 + x M x M ' 1-x (PO 4 ) 3 instead of Na and M in place of other materials. Since the Ge-O bond such as Li which improves the high grain boundary resistance of the nacicon structure has a strong covalent bond, in the present invention, LAGP (lithium-aluminum-germanium-phosphorous) is used as a solid electrolyte capable of increasing ion conductivity Respectively.

따라서, 본 발명에서는 나시콘 구조를 지니는 가장 이온전도도가 높은 LAGP(리튬-알루미늄-저마늄-포스테이트)를 사용하여 세퍼레이터를 제조함으로써, 세퍼레이터(분리막)의 이온전도도를 높이고, 대극에서의 금속이온의 석출을 막을 수 있게 되는 것이다. Therefore, in the present invention, the ion conductivity of the separator (separator) is increased by manufacturing the separator using LAGP (lithium-aluminum-germanium-for-state) having the highest ionic conductivity and having the nacicon structure, It is possible to prevent the precipitation of

본 발명의 복합 세퍼레이터의 제조는 고체전해질로 사용되는 LAGP[Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3]의 시료(분말)와 PAN 시료(분말)를 용매에 혼합 분산시킨 후, 미리 준비된 PAN 세퍼레이터의 한쪽면에 전기방사(Electrospinning)를 실시하여 제조하게 된다. 즉, 미리 준비된 PAN separator의 한쪽면(양극과 마주하는 면)에만 전기방사를 실시하여 세퍼레이터를 제작한 후, 대극과 마주하여 전지를 제작하게 되는 것이다. The composite separator of the present invention is produced by mixing and dispersing a sample (powder) of LAGP (Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ] used as a solid electrolyte and a PAN sample (powder) in a solvent, (Electrospinning) on one side of the substrate. That is, only one side of the PAN separator prepared beforehand (the side facing the anode) is electrospinning to fabricate a separator, and then the battery is produced facing the counter electrode.

다시말해, 본 발명의 부직포 세퍼레이터는 2중의 구조를 가지는 데, 한쪽면은 미리 준비된 PAN 세퍼레이터 부분으로 음극에 마주하게 되며, 다른 쪽면은 전기방사에 의해 새로이 부가되는 부분으로 LAGP가 부착된 PAN 세퍼레이터 부분이며, 이 부분은 양극에 마주하게 되는 부분이다. In other words, the nonwoven fabric separator of the present invention has a double structure. One side of the nonwoven fabric separator faces the negative electrode with a previously prepared PAN separator portion, and the other side is a newly added portion by electrospinning. The PAN separator portion And this portion is a portion facing the anode.

그런 후, 전기 방사후 고온 80도에서 압착하여 본 발명의 복합 세퍼레이터를 완성하게 된다. 여기서 고온에서 압착하는 이유는 수분의 증발 등 고분자 물질의 안정화를 위해서이다.
Then, after the electric discharge, the mixture is compressed at a high temperature of 80 degrees to complete the composite separator of the present invention. Here, the reason for squeezing at a high temperature is to stabilize a polymer material such as evaporation of water.

실시예1. 복합 세퍼레이터의 제작Example 1. Fabrication of composite separator

본 발명의 복합 세퍼레이터 제조를 위해 용매 DMF(N,N-dimethylformamide)내에 Polyacrylonitril(PAN) 분말 시료, 고체전해질인 LAGP 시료를 이용하여 복합분리막 구성을 위한 1차 분리막을 제조하였다. 즉, 용매로 사용한 DMF용액에 LAGP시료와 PAN시료를 70 : 30 (wt%)으로 측량하여 1시간동안 ball-milling 공정을 통해 분산시켰다. 분산시킨 용액은 전기방사기를 이용하여 기존의 PAN 세퍼레이터의 한쪽면에 분사하고, 고온 80℃에서 30㎛로 압착하여 복합 세퍼레이터를 제작하였다.
For the preparation of the composite separator of the present invention, a primary separation membrane for the composite membrane was prepared by using a polyacrylonitrile (PAN) powder sample and a LAGP solid electrolyte in a solvent, N, N-dimethylformamide. That is, the LAGP sample and the PAN sample were measured in DMF solution as a solvent at 70:30 (wt%) and dispersed for 1 hour through a ball-milling process. The dispersed solution was sprayed on one side of a conventional PAN separator using an electrospinning machine and pressed at a high temperature of 80 占 폚 to 30 占 퐉 to prepare a composite separator.

실시예2. 파우치 셀의 제작Example 2. Manufacture of pouch cell

제조한 복합 세퍼레이터를 적용한 Full cell을 제작하기에 앞서 음극, 양극, 및 전해질을 선정하였다. 음극 활물질 core부분은 천연흑연, 표면개질층은 비정질 카본물질로 코팅된 core-shell type의 흑연물질로 구성되며 SBR/CMC 수계바인더를 적용되어 구성되었다. 양극은 대표적 고출력 활물질인 Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2을 적용하였으며 도전재로서 Super-P, 바인더로서는 PVdf 바인더를 사용하여 전극을 구성하였다. 전해액 조성은 1M LiPF6,EC/EMC=1:2(v/v)+VC2wt.%로 구성되었다. 리튬이차전지의 파우치 풀셀을 조립은 통상의 방법에 따라 행하여졌다. The positive electrode, the anode and the electrolyte were selected before preparing the full cell using the composite separator. The core part of the anode active material is made of natural graphite and the surface modified layer is made of core-shell type graphite material coated with amorphous carbon material and SBR / CMC aqueous binder is applied. The anode was made of Li (Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ) O 2 , which is a typical high-output active material, and Super-P was used as a conductive material and PVdf binder was used as a binder. Electrolyte composition consisted of 1M LiPF 6 , EC / EMC = 1: 2 (v / v) + VC2wt.%. Assembly of the pouch pull cell of the lithium secondary battery was performed according to a conventional method.

도 2는 세퍼레이터를 적용한 파우치 셀의 부품 구성도로서, 파우치 풀셀 조립은 도 2에서와 같이 Electrode → Electrode punching →cathode & anode→ Tab welding→ Stacking→ Laminated film forming →Electrode insertion → Electrolyte filling & vacuum sealing 순서로 조립하였다. 이는 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다. FIG. 2 is a view illustrating a part configuration of a pouch cell to which a separator is applied. In the pouch pull cell assembly, as shown in FIG. 2, Electrode → Electrode punching → Cathode and anode → Tab welding → Stacking → Laminated film forming → Electrode insertion → Electrolyte filling and vacuum sealing . As will be readily appreciated by those skilled in the art.

한편, 복합 세퍼레이터와의 성능 비교군으로서, 유사한 두께(~25㎛)의 PE base 일반 리튬이차전지용 세퍼레이터(Celguard사 제조)와, PAN(Poly acrylonitrile) 리튬이차전지용 부직포 세퍼레이터(Finetex EnE사 제조)를 각각 비교 평가하였으며, 또한 이들을 사용하여 실시예 2의 방법과 동일한 방법으로 제조된 파우치 full cell에 대해서도 비교 평가를 수행하였다.
On the other hand, as a performance comparative group, a separator for PE base general lithium secondary battery (manufactured by Celguard) and a nonwoven fabric separator for PAN (poly acrylonitrile) lithium secondary battery (manufactured by Finetex EnE) And the pouch full cells prepared in the same manner as in Example 2 were also evaluated for comparison.

실험예 1 (SEM 사진)Experimental Example 1 (SEM photograph)

PE 세퍼레이터, PAN 세퍼레이터, 실시예 1의 복합 세퍼레이터 각각에 대해서 SEM 사진을 촬영하였다. 도 3의 각각의 세퍼레이터의 SEM 사진이다. (A)는 PE 세퍼레이터의 SEM 사진이며, (B)는 PAN 세퍼레이터의 SEM 사진이며, (C)는 실시예 1에서 제조된 복합 세퍼레이터의 SEM 사진이다. (B)와 (C)의 경우는 부직포 세퍼레이터로서 다공성이 상대적으로 우수한 것으로 보여지며, (C)에는 고체 전해질인 LAGP가 부착되어 있음을 확인할 수 있다.
The PE separator, the PAN separator, and the composite separator of Example 1 were each photographed by SEM. 3 is an SEM photograph of each separator in Fig. 3. (A) is a SEM photograph of a PE separator, (B) is an SEM photograph of a PAN separator, and (C) is an SEM photograph of the composite separator produced in Example 1. (B) and (C) show relatively excellent porosity as a nonwoven fabric separator, and (C) it can be confirmed that a solid electrolyte, LAGP, is attached.

실험예 2 (전기화학적 충방전 싸이클 특성) Experimental Example 2 (Electrochemical Charge / Discharge Cycle Characteristics)

PE 세퍼레이트를 적용한 파우치 풀셀(full cell)과, 실시예에 의해 제조된파우치 full cell에 대해서, 25도 및 45도에서의 연속 충ㅇ방전에 따른 용량 퇴화 거동을 살펴보기 위하여 1C/1C 충방전 속도에서의 전기화학적 충방전 싸이클 특성을 실험하였다. In order to investigate the capacity degradation behavior due to the continuous charge and discharge at 25 ° and 45 ° for the pouch full cell with PE separator and the pouch full cell manufactured according to the example, a 1C / 1C charge / discharge rate The characteristics of the electrochemical charge and discharge cycle were investigated.

도 4는 PE 세퍼레이트를 적용한 파우치 full cell과, 실시예에 의해 제조된 full cell에 대한 전기화학적 충방전 싸이클 특성을 나타내었다. FIG. 4 shows the electrochemical charge / discharge cycling characteristics of the full cell prepared by the PE separator and the full cell prepared by the example.

도 4를 참조하면, 상온(25도) 수명의 경우, 실시예에 의해 제조된 복합 세퍼레이터를 적용한 경우가 기존의 PE 세퍼레이터를 적용한 경우에 비하여 양호한 수명 특성을 보이며, 또한 고온 45도에서 수행된 수명 평가 결과에서도 실시예에 의해 제조된 복합 세퍼레이터를 적용한 경우가 기존 PE 세퍼레이터를 적용한 경우에 비하여 오히려 개선된 수명 특성을 나타내었다. 즉, 상온 뿐만아니라 고온에서도 실시예에 의해 제조된 본 발명의 복합 세퍼레이터를 적용한 파우치 full cell의 경우가 보다 개선된 수명 특성을 나타내었다.
Referring to FIG. 4, in the case of a room temperature (25 degrees) lifetime, the composite separator manufactured by the example shows good life characteristics as compared with the conventional PE separator, and the lifetime As a result of evaluation, the application of the composite separator manufactured according to the embodiment exhibited improved life characteristics as compared with the case where the conventional PE separator was applied. That is, in the pouch full cell to which the composite separator of the present invention manufactured by the example was applied at room temperature as well as at high temperature, more improved life characteristics were exhibited.

실험예 3 (전지의 고율 방전 특성) Experimental Example 3 (High Rate Discharge Characteristics of Battery)

PE 세퍼레이트를 적용한 파우치 full cell과, 실시예에 의해 제조된 full cell에 대해, 전지의 고율 방전 특성을 살펴보았다. 그 결과를 도 5에 나타내었다. The high rate discharge characteristics of the battery were examined with respect to the full cell of the pouch with PE separator and the full cell manufactured by the example. The results are shown in Fig.

도 5를 참조하면, 실시예에 따른 복합 세퍼레이터의 경우가 PE계 세퍼레이터(separator)의 경우에 비하여 상대적으로 양호한 고율 특성을 나타냄을 알 수 있다.
Referring to FIG. 5, it can be seen that the composite separator according to the embodiment exhibits a relatively high high-rate characteristic as compared with the case of the PE-based separator.

실험예 4 (EDS 조성 분석) Experimental Example 4 (EDS Composition Analysis)

PAN 세퍼레이트를 적용한 파우치 full cell과, 실시예에 의해 제조된 파우치 full cell에 대해서 연속 충전을 진행한 후에 음극 표면(SEM BS-image) 위에 EDS 조성을 분석하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다. EDS composition was analyzed on a cathode surface (SEM BS-image) after continuous filling of the pouch full cell with PAN separator and the pouch full cell prepared according to the example. The results are shown in Fig.

각각의 full cell에 대해 연속 충전을 수시간 동안 진행한 후, PAN 세퍼레이터가 적용된 전지의 경우에는 Co, Ni 의 금속 입자 석출 현상이 진행됨을 관찰되었으나, 실시예에 의한 복합 세퍼레이터를 적용한 전지의 경우에는 대극으로의 금속 이온 이동에 기이한 금속 입자 석출 현상은 발견되지 않았다.In the case of a cell to which the PAN separator was applied, it was observed that the metal particle precipitation of Co and Ni progressed after continuous charging for each full cell for several hours. However, in the case of the battery using the composite separator according to the embodiment There was no phenomenon of metal particle precipitation due to metal ion migration into the counter electrode.

실험예 5 (열수축 거동 비교) Experimental Example 5 (Comparison of heat shrinkage behavior)

PE 세퍼레이트와, 실시예에 의해 제조된 복합 세퍼레이트에 대해 일정온도로 가온한 후 열수축 거동을 비교하였다. 즉, PE 세퍼레이트와, 실시예에 의해 제조된 복합 세퍼레이트 각각에 대해, 150도, 180도의 온도까지 분당 5도의 속도로 승온한 후, 각각의 온도에서 12시간 유지 후 세퍼레이터 수축율을 각각 측정하였다. The PE separator and the composite separates prepared according to the examples were heated to a certain temperature and then the heat shrinkage behavior was compared. That is, for each of the PE separator and the composite separator produced according to the examples, the temperature was raised to 150 ° C. and 180 ° C. at a rate of 5 ° C. per minute, and then the shrinkage of the separator was measured after 12 hours at each temperature.

도 7은 그 결과를 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 실시예에 따라 제조된 복합 세퍼레이터의 경우에는, 150도에서의 수축률은 거의 0%에 가까우며, 이에 반하여 PE계 세퍼레이터의 경우에는 폭과 길이 방향 모두 10% 이상의 수축률을 나타냄을 관찰할 수 있었다. 또한 180도 유지후에는 실시예에 따른 복합 세퍼레이터의 경우에는 4%의 수축률을 보이나, PE 세퍼레이터의 경우에는 25% 이상의 수축률을 나타냄을 확인할 수 있었다. 따라서, 실시예에 따른 복합 세퍼레이터는 PE 세퍼레이터에 비하여 내열성이 우수함을 확인할 수 있었다.
Figure 7 shows the result. Referring to FIG. 7, in the case of the composite separator manufactured according to the embodiment, the shrinkage rate at 150 degrees is close to 0%, whereas in the case of the PE-based separator, the shrinkage rate is 10% I could observe. Also, it was confirmed that the shrinkage percentage of 4% in the case of the composite separator according to the example after 180-degree maintenance, and the shrinkage percentage of 25% or more in the case of the PE separator were confirmed. Therefore, it was confirmed that the composite separator according to the Example had excellent heat resistance as compared with the PE separator.

실험예 6 (ARC 거동 비교) Experimental Example 6 (Comparison of ARC behavior)

상기의 열수축 거동이 실제 pouch full cell에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, 상대적인 열안정성 여부를 확인하기 위한 ARC(가속열량실험) 실험을 실시하였다. 즉, PE 세퍼레이트를 적용한 파우치 풀셀 전지와, 실시예에 의해 제조된 파우치 풀셀 전지에 대해서 ARC 거동을 비교하였다. In order to investigate the effect of the above heat shrinkage on the actual pouch full cell, an ARC (Accelerated Calorimetry) experiment was conducted to confirm the relative thermal stability. That is, the ARC behaviors of the pouch pull cell with the PE separator and the pouch pull cell manufactured with the example were compared.

기존 PE 세퍼레이터을 적용한 full cell에 비하여 본 발명의 실시예에 따른 복합 세퍼레이터를 적용한 full cell의 경우에 열수축 특성에 기인한 전지 열안전성은 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
Compared with the full cell to which the conventional PE separator was applied, in the case of the full cell using the composite separator according to the embodiment of the present invention, the battery thermal stability due to the heat shrinkage characteristics was excellent.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention may be embodied otherwise without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the scope of the present invention, but are intended to be illustrative, and the scope of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of the claims should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (8)

리튬이차 전지용 부직포 분리막에 있어서,
양극에 마주하는 면에는 LAGP(리튬-알루미늄-저마늄-포스테이트)의 고체 전해질이 부착되나, 음극에 마주하는 면에는 상기 LAGP가 부착되지 않는, 2중 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고체전해질 복합 부직포 분리막.
In the nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery,
Wherein a solid electrolyte of LAGP (lithium-aluminum-germanium-perovskite) is attached to the surface facing the anode, but the LAGP is not attached to the surface facing the anode. Nonwoven membrane.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 LAGP는 [Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3] 의 화학식을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 복합 부직포 분리막.
The method according to claim 1,
Wherein the LAGP has a chemical formula of [Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ].
리튬이차 전지용 부직포 분리막에 있어서,
폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile)의 부직포 분리막에서 양극에 마주하는 면에 LAGP(리튬-알루미늄-저마늄-포스테이트)가 부착되나, 음극에 마주하는 면에서는 LAGP가 부착되지 않는, 2중 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고체전해질 복합 부직포 분리막.
In the nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery,
In a non-woven fabric separator of polyacrylonitrile (PAN), LAGP (lithium-aluminum-germanium-for-state) is attached to the surface facing the anode, but LAGP is not attached to the surface facing the anode. Wherein the solid electrolyte composite nonwoven fabric separator comprises:
제 4항에 있어서,
상기 LAGP는 [Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3]의 화학식을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 복합 부직포 분리막.
5. The method of claim 4,
Wherein the LAGP has a chemical formula of [Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ].
리튬이차전지용 부직포 분리막의 제조방법에 있어서,
LAGP 시료와 PAN시료를 용매에 분산시킨 후, 분산시킨 용액을 미리 준비된 PAN 세퍼레이터의 한쪽면에 전기방사를 실시한 다음, 압착하여 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 부직포 분리막의 제조방법
A method for producing a nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery,
A method for producing a nonwoven fabric separator for a lithium secondary battery, comprising the steps of dispersing a LAGP sample and a PAN sample in a solvent, and then dispersing the solution in a solvent, electrospinning one side of a PAN separator prepared in advance,
제 6항에 있어서,
상기 LAGP는 [Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3] 의 화학식을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 복합 부직포 분리막의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the LAGP has a chemical formula of Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 .
제 6항에 있어서,
상기 용매는 DMF(N,N-dimethylformamide)이 사용되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 복합 부직포 분리막의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the solvent is DMF (N, N-dimethylformamide).
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