KR101638933B1 - 이차 전지용 세퍼레이터 권취 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

세퍼레이터의 권취 방법 및 장치를 개시한다.
본 발명의 세퍼레이터 권취 장치는, 주행하는 필름 형태의 세퍼레이터가 접촉되어 회전되는 가이드 부재; 가이드 부재로부터 공급되는 세퍼레이터를 권취할 수 있도록 미리 결정된 속도로 회전되는 리와인더; 리와인더의 회전속도보다 미리 결정된 속도만큼 느리게 가이드 부재의 회전 속도를 유지할 수 있는 저속 유지부재를 구비한다.

Description

이차 전지용 세퍼레이터 권취 방법 및 장치{Method and apparatus for rewinding separator for secondary battery}
본 발명은 이차 전지용 세퍼레이터 권취 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주름을 방지할 수 있도록 구조가 개선된 이차 전지용 세퍼레이터 권취 방법 및 권취 장치에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지면서, 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차에까지 그 적용분야가 확대되고 있으며, 이와 관련된 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차 전지의 개발이 관심의 촛점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서, 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위한 연구 개발이 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차 전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고, 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. 그러나, 이러한 리튬 이온 전지는 유기 전해액을 사용하는 데 따르는 발화 및 폭발 등의 안전 문제가 존재하고, 제조 공정이 까다로운 단점이 있다. 최근의 리튬 이온 고분자 전지는 이러한 리튬 이온 전지의 약점을 개선하여 차세대 전지의 하나로 꼽히고 있으나 아직까지 전지의 용량이 리튬 이온 전지와 비교하여 상대적으로 낮고, 특히 저온에서의 방전 용량이 불충분하여 이에 대한 개선이 시급히 요구되고 있다.
상기와 같은 전기화학소자들의 안전성 특성은 각각 다른 양상을 보인다. 이러한 전기화학소자의 안전성과 관련하여 가장 중요한 고려사항은 전기화학소자가 오작동시 사용자에게 상해를 입혀서는 안된다는 것이며, 이러한 목적으로 안전규격은 전기화학소자 내의 발화 및 발연 등을 엄격히 규제하고 있다. 전기화학소자의 안전성 특성에 있어서, 전기화학소자가 과열되어 열폭주가 일어나거나 분리막이 관통될 경우에는 폭발을 일으키게 될 우려가 크다. 특히, 전기화학소자의 분리막으로서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀계 다공성 기재는 재료적 특성과 연신을 포함하는 제조공정 상의 특성으로 인하여 100도 이상의 온도에서 극심한 열 수축 거동을 보임으로서, 양극과 음극 사이의 단락을 일으키게 된다.
통상적으로, 세퍼레이터의 제조 공정에 있어서, 필름의 표면에 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 세퍼레이트는, 리튬 이차 전지용 전극 조립체의 제조 공정에 사용하기 위해서, 세퍼레이터를 롤 형태의 리와인더에 권취되는 바, 이 경우, 원활한 권취 작업을 위해서 세퍼레이터의 주행 경로 상에 가이드 롤을 설치하여 세퍼레이터가 리와인더 롤에 권취되기 전에 가이드 롤을 필수적으로 경유하게 한다. 그러나, 이러한 세퍼레이터는 그 두께가 10 ~ 50 ㎛ 정도로 매우 얇은 박막이므로, 가이드 롤에 접촉되어 주행되는 과정에서 주름이 발생하게 된다. 세퍼레이터에 주름이 발생하게 되면, 롤에 감기는 권취량이 감소하게 되며, 이로 인해서 수율이 감소되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 착상된 것으로서, 다공성 유기-무기 코팅층을 형성하는 세퍼레이터 필름의 권취 공정에서 발생하는 주름을 방지할 수 있도록 구조가 개선된 이차 전지용 세퍼레이터 제조 방법 및 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 세퍼레이터 권취 장치는, 주행하는 필름 형태의 세퍼레이터가 접촉되어 회전되는 가이드 부재; 상기 가이드 부재로부터 공급되는 상기 세퍼레이터를 권취할 수 있도록 미리 결정된 속도로 회전되는 리와인더; 및 상기 리와인더의 회전속도보다 미리 결정된 속도만큼 느리게 상기 가이드 부재의 회전 속도를 유지할 수 있는 저속 유지부재를 구비한다.
바람직하게, 상기 가이드 부재는 적어도 하나 또는 그 이상의 가이드 롤들을 구비하고; 상기 저속 유지부재는: 상기 가이드 롤들 중 어느 하나를 미리 결정된 속도로 회전시킬 수 있는 구동원; 및 상기 가이드 롤들 사이를 연동 회전시키기 위한 동력 연결 부재를 구비한다.
바람직하게, 상기 동력 연결 부재는: 각각의 가이드 롤의 회전축에 설치된 기어들; 및 상기 기어들을 연결하는 체인들을 구비한다.
바람직하게, 상기 동력 연결 부재는: 각각의 가이드 롤의 회전축에 설치된 풀리들; 및 상기 풀리들을 연결하는 벨트들을 구비한다.
바람직하게, 상기 동력 연결 부재는 상기 구동원의 회전 속도와 동일한 속도로 각각의 상기 가이드 롤들을 회전시키도록 구성된다.
바람직하게, 상기 동력 연결 부재는 상기 가이드 롤들 중 상기 세퍼레이터의 주행 경로에서 상기 리와인더로부터 멀어질수록 회전 속도가 감소되도록 구성된다.
바람직하게, 상기 가이드 부재의 회전 속도는 상기 리와인더의 회전 속도의 25% 내지 95%의 범위에서 결정된다.
바람직하게, 상기 세퍼레이터는 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 이차 전지용 세퍼레이터이다.
바람직하게, 상기 세퍼레이터는, 미세 다공을 포함하는 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름들의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리비닐리덴 플로오라이드 헥사플로오르프로필렌 공중합체의 고분자 전해질용 고분자 필름으로, 이들 필름의 적어도 일면에 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 필름으로 구성된다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 세퍼레이터 권취 방법은, 주행되는 세퍼레이터를 적어도 하나 또는 그 이상의 가이드 롤들을 경유하여 리와인더(rewinder)에 권취하는 방법에 있어서, 상기 가이드 롤들의 구동 속도를 상기 리와인더의 구동속도 보다 느리게 유지시키는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 가이드 롤들의 구동 속도는 상기 리와인더의 구동 속도의 25% 내지 95%의 범위로 유지된다.
바람직하게, 상기 세퍼레이터는 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 이차 전지용 세퍼레이터이다.
바람직하게, 상기 세퍼레이터는, 미세 다공을 포함하는 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름들의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리비닐리덴 플로오라이드 헥사플로오르프로필렌 공중합체의 고분자 전해질용 고분자 필름으로, 이들 필름의 적어도 일면에 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 필름으로 구성된다.
바람직하게, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 무기물 입자이다.
바람직하게, 상기 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1 - xLaxZr1 -yTiyO3(PLZT, 0<x<1, 0<y<1), Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3-PbTiO3(PMN-PT), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, SiO2, Y2O3, Al2O3, SiC 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 무기물 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이다.
바람직하게, 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), (LiAlTiP)xOy 계열 glass(0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), SiS2 (LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4) 계열 glass 및 P2S5 (LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 계열 glass로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 무기물 입자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이다.
바람직하게, 상기 무기물 입자와 바인더 고분자의 중량비가 50:50 내지 99:1 이다.
바람직하게, 상기 바인더 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 플루란 (pullulan) 및 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 바인더 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이다.
본 발명에 따르면, 유기-무기 다공성 코팅층이 형성되는 이차 전지용 세퍼레이터를 리와인더에 권취하는 과정에 있어서, 가이드 부재(예, 가이드 롤)의 회전 속도를 리와인더의 회전 속도보다 느리게 구성함으로써, 세퍼레이터 필름의 중행 중 주름 발생을 방지하여, 리와인더에 권취되는 세퍼레이터의 권취량을 증가시키고 최종적으로 수율을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 요약뿐만 아니라 이어지는 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명은 첨부된 도면들과 함께 읽혀질 때 더 잘 이해될 것이다. 본 출원의 바람직한 예시적 실시예에 따른 세퍼레이터 권취 방법 및 장치를 설명하기 위한 목적으로, 바람직한 실시예들의 도면들이 도시된다. 그러나, 본 출원은 그러한 도면들에 도시된 정확한 장치 및 수단에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 제1실시예 따른 세퍼레이터 권취 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 제2실시예 따른 세퍼레이터 권취 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이어지는 상세한 설명에서 사용된 특정의 용어는 편의를 위한 것이지 제한적인 것은 아니다. "우", "좌", "상면" 및 "하면"의 단어들은 참조가 이루어진 도면들에서의 방향을 나타낸다. "내측으로" 및 "외측으로"의 단어들은 각각 지정된 장치, 시스템 및 그 부재들의 기하학적 중심을 향하거나 그로부터 멀어지는 방향을 나타낸다. "전방", "후방", "상방", "하방" 및 그 관련 단어들 및 어구들은 참조가 이루어진 도면에서의 위치들 및 방위들을 나타내며 제한적이어서는 아니된다. 이러한 용어들은 위에서 열거된 단어들, 그 파생어 및 유사한 의미의 단어들을 포함한다.
본 발명의 특정의 예시적 실시예들은 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 제1실시예에 따른 이차 전지용 세퍼레이터 권취 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 세퍼레이터 권취 장치(100)는, 주행하는 필름 형태의 세퍼레이터(10)가 접촉되어 회전되는 가이드 부재(20), 가이드 부재(20)로부터 공급되는 세퍼레이터(10)를 권취할 수 있도록 미리 결정된 속도로 회전되는 리와인더(30), 및 리와인더(30)의 회전속도보다 미리 결정된 속도만큼 느리게 가이드 부재(20)의 회전 속도를 유지할 수 있는 저속 유지부재(40)를 구비한다.
세퍼레이터(10)는 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 박막의 필름 구조를 가지며, 기재에 유기-무기 다공성 코팅층의 코팅이 완료된 후에 소정의 공급부재(미도시)에 의해 본 발명의 장치(권취기)(100)에 공급된다. 한편, 세퍼레이터(10)를 본 발명의 장치(100)로 공급하기 위한 공급부재는 특별히 한정되는 것은 아니며, 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 필름의 건조 공정 등과 연계되는 것이 바람직하다.
가이드 부재(20)는 전술한 공급부재에 의해 공급되는 세퍼레이터(10)가 소정의 장력을 유지하면서 주행할 수 있도록 가이드하기 위한 것으로서, 세퍼레이터(10)의 중행 경로 상에 순차적으로 배치된 제1 가이드 롤(12), 제2 가이드 롤(14), 및 제3 가이드 롤(16)을 구비한다. 각각의 가이드 롤(12)(14)(16)은 소정 길이의 롤러 샤프트의 둘레에 탄력성 있는 표면을 가진 롤 커버가 설치된 구성이다.
리와인더(30)는 가이드 부재(20)를 경유하여 주행하는 세퍼레이터(10)를 최종적으로 권취하기 위한 롤 구조로서, 미도시된 권취용 모터에 의해 소정 속도로 회전 구동된다. 한편, 리와인더(30)에 권취되는 세퍼레이터(10)는 리와인더(30)에 인접되게 설치된 라이더 롤(rider roll)(32)에 의해 권취 위치가 고정될 수도 있다.
저속 유지부재(40)는 가이드 부재(20)의 가이드 롤들(12)(14)(16)의 회전 속도를 리와인더(30)의 회전 속도보다 더 적은 소정 범위의 회전 속도(25% 내지 95%)로 유지시키기 위한 것이다.
바람직한 실시예에 따르면, 저속 유지부재(40)는, 제1 가이드 롤(12)을 미리 결정된 속도로 회전시킬 수 있는 구동원(42), 및 가이드 롤들(12)(14)(16) 사이를 연동 회전시키기 위한 동력 연결 부재(44)를 구비한다.
구동원(42)은 예를 들어, 정,역 제어 가능한 스텝핑 모터, 전기 모터 등이 채택될 수 있다. 구동원(42)은 본 실시예에 있어서, 제1 가이드 롤(12)을 회전시킬 수 있도록 설치되어 있지만, 구동원(42)은 제2 가이드 롤(14) 또는 제3 가이드 롤(16)을 회전시킬 수 있도록 설치되어도 무방하다. 구동원(42)은 제1 가이드 롤(12)의 회전축을 직접 회전시킬 수 있도록 설치될 수도 있다. 그러나, 본 실시예에서는 구동원(42)의 회전축에 설치된 구동 기어(41)와 제1 가이드 롤(12)의 회전축에 설치된 종동 기어(미도시), 및 구동 기어(41)와 종동 기어(미도시)를 연결하는 구동 체인(45)에 의해 구동원(42)의 구동력은 제1 가이드 롤(12)로 전달된다. 여기서, 구동원(42)에 의해 회전되는 제1 가이드 롤(12)의 회전 속도는 리와인더(30)의 회전 속도보다 느리게 유지되어야 한다.
한편, 권취 장치(100)에 있어서, 세퍼레이터(10)의 장력은 가이드 롤들(12)(14)(16)에 의해 일정하게 유지되는데, 세퍼레이터(10)의 장력이 너무 높아지면 세퍼레이터(10)의 표면에 스트래치가 발생할 수도 있으므로, 가이드 롤 들(12)(14)(16)의 구동 속도는 리와인더(30)의 구동 속도의 대략 25% 내지 대략 95%인 것이 바람직하다.
동력 연결 부재(44)는 구동원(42)에 의해 구동되는 제1 가이드 롤(12)에 연동하여 제2 가이드 롤(14) 및 제3 가이드 롤(16)을 각각 구동시키기 위한 것으로서, 제1 가이드 롤(12)의 회전축에 설치된 제1 기어(11), 제2 가이드 롤(14)의 회전축에 설치된 제2 기어(13), 및 제3 가이드 롤(16)의 회전축에 설치된 제3 기어(15), 제1 기어와 제2 기어(13)를 연결하는 제1 체인(17), 및 제2 기어(13)와 제3 기어(15)를 연결하는 제2 체인(19)을 구비한다. 대안적 실시예에 있어서, 동력 연결 부재는 기어와 체인 연결 방식 대신에, 풀리 및 벨트 방식으로 변경될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 실시예에 따르면, 동력 연결 부재(44)는 구동원(42)의 회전 속도와 동일한 속도로 각각의 가이드 롤들(12)(14)(16)을 회전시키도록 구성된다.
세퍼레이터(10)는 전기화학소자의 전극 조립체의 양극과 음극 사이에 개재되고, 세퍼레이터(10)의 무기물로 된 다공성 코팅층은 과열에 의한 경우에도 양극과 음극의 단락을 방지한다.
본 발명의 전기화학소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 이차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 수퍼 캐패시터 소자와 같은 캐퍼시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 상기 2차 전지 중 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함하는 리튬 이차전지가 바람직하다.
본 발명의 양극과 음극의 양 전극으로는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. 상기 전극활물질 중 양극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 음극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 바람직하다. 양극 전류집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 전류집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
본 발명의 전기화학소자에는 A+B-와 같은 구조의 염을 유기용매에 용해시킨 전해질을 선택적으로 사용할 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고, B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 유기용매로는 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (g-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전해질의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지 조립 전 또는 전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에서 언급되는 세퍼레이터는, 미세 다공을 포함하는 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름들의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리비닐리덴 플로오라이드 헥사플로오르프로필렌 공중합체의 고분자 전해질용 고분자 필름으로, 이들 필름의 적어도 일면에 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 필름으로 구성된 세퍼레이터를 사용한다.
상기 유기-무기 다공성 코팅층은 바인더 고분자에 의해 무기물 입자 사이가 연결 및 고정되고, 무기물 입자들 사이의 틈새 공간(interstitial volume)으로 인해 기공구조가 형성되어 있다. 즉, 유기-무기 다공성 코팅층은 바인더 고분자가 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착(즉, 바인더 고분자가 무기물 입자 사이를 연결 및 고정)시키고 있으며, 또한 유기-무기 다공성 코팅층은 바인더 고분자에 의해 다공성 기재와 결착된 상태를 유지한다. 유기-무기 다공성 코팅층의 무기물 입자들은 실질적으로 서로 접촉한 상태로 최밀 충전된 구조로 존재하며, 무기물 입자들이 접촉된 상태에서 생기는 틈새 공간(interstitial volume)이 유기-무기 다공성 코팅층의 기공이 된다.
이러한 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 무기물 입자인 것을 사용할 수 있다.
상기 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT, 0<x<1, 0<y<1), Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3-PbTiO3(PMN-PT), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, SiO2, Y2O3, Al2O3, SiC 및 TiO2 등을 사용할 수 있으며, 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), (LiAlTiP)xOy 계열 glass(0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), SiS2 (LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4) 계열 glass 및 P2S5 (LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 계열 glass 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 무기물 입자와 바인더 고분자의 중량비가 50:50 내지 99:1 인 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 바인더 고분자로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 폴리아릴레이트(polyarylate), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸플루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 플루란 (pullulan) 및 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose) 등을 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 제2 실시예에 따른 이차 전지용 세퍼레이터 권취 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.
도 2을 참조하면, 본 실시예에 따른 세퍼레이터 권취 장치(200)는 가이드롤 들(12)(14)(16)의 회전축에 각각 설치되는 기어들(111)(113)(115)의 기어비가 서로 다르게 구성된 동력 연결 부재(140)함으로써, 대응되는 가이드 롤들(12)(14)(16)의 속도를 각각 다르게 조절하는 점에서 전술한 제1 실시예와 구별된다.
즉, 본 실시예에 따르면, 가이드 롤들(12)(14)(16) 중에서 세퍼레이터(10)의 주행 경로에서 리와인더(30)로부터 가장 먼 제1 가이드 롤(12)의 회전 속도는 제2 가이드 롤(14)의 회전 속도보다 더 느리고, 제3 가이드 롤(16)의 회전 속도는 제2 가이드 롤(14)의 회전 속도보다 더 빠르게 된다.
<실험예>
실험예 1
도 2를 참조하면, 3개의 가이드 롤들(12)(14)(16)을 포함하는 가이드 부재(20)를 채택하고, 라이더롤(32)과 리와인더(30)를 사용하여 세퍼레이터(10)를 권취하는 권취 장치(100)에 있어서, 가이드 롤들(12)(14)(16) 중에서 세퍼레이터(10)가 공급되는 측의 제1 가이드 롤(12)의 구동 속도를 리와인더(30)의 구동 속도의 75%로 제어하였다. 제2 가이드 롤(14)의 구동 속도는 리와인더(30)의 구동 속도의 85%가 되도록 제어하고, 제3 가이드 롤(16)의 구동 속도는 리와인더(30)의 구동 속도의 95%가 되도록 제어하였다.
본 실험예에 있어서, 권취 장치(100)를 사용하여 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 세퍼레이터(10)를 권취시킨 결과, 권취 공정에서 주름이 발생하지 않았고, 세퍼레이터(10)의 표면에 스크래치도 발생하지 않았다.
실험예 2
도 2를 참조하면, 3개의 가이드 롤들(12)(14)(16)을 채택하고, 라이더롤(32)과 리와인더(30)를 사용하여 세퍼레이터(10)를 권취하는 권취 장치(100)에 있어서, 상기 가이드 롤들(12)(14)(16) 중에서 세퍼레이터(10)가 공급되는 측의 제1 가이드 롤(12)의 구동 속도를 리와인더(30)의 구동 속도의 85%로 제어하였다. 제2 가이드 롤(14)의 구동 속도는 리와인더(30)의 구동 속도의 90%가 되도록 제어하고, 제3 가이드 롤(16)의 구동 속도는 리와인더(30)의 구동 속도의 95%가 되도록 제어하였다.
상기 권취 장치를 사용하여 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 세퍼레이터(10)를 권취시킨 결과, 권취 과정에서 주름이 발생하지 않았고, 세퍼레이터(10)의 표면에 스크래치도 발생하지 않았다.
비교예 1
3개의 가이드 롤들(12)(14)(16)을 사용하고, 라이더 롤(32)과 리와인더(30)를 사용하여 세퍼레이터(10)를 권취하는 권취장치에 있어서, 가이드 롤들(12)(14)(16)의 구동속도를 제어하지 않고, 가이드 롤들(12)(14)(16)의 구동 속도를 리와인더(30)의 구동 속도와 동일하게 유지하였다.
상기 권취장치를 사용하여 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 세퍼레이터를 권취한 결과 주름이 발생하였다.
비교예 2
3개의 가이드 롤들(12)(14)(16)을 사용하고, 라이더 롤(32)과 리와인더(30)를 사용하여 세퍼레이터(10)를 권취하는 권취 장치에 있어서, 모든 가이드 롤들(12)(14)(16)을 리와인더(30)의 구동 속도의 20%로 제어하였다.
상기 권취 장치를 사용하여 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 세퍼레이터를 권취한 결과 주름이 발생하지 않았지만, 표면에 스크래치가 발생하였다.
전술한 상세한 설명 및 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내는 한편, 첨부된 청구항들에서 정의된 바와 같이 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 부가물, 변형물, 조합들 및/또는 대체물들이 만들어 질 수 있음을 이해해야 한다. 특히, 본 발명은 다른 요소들, 물질들, 성분들을 이용하여 본 발명의 정신 필수 특징들로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 특정한 형태, 구조, 배열, 비율들로 구현될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 본 발명의 원칙을 벗어나지 않는 한 특정의 환경 및 작동 조건들에 특히 적합하도록 된 구조, 배열, 비율, 물질, 성분의 많은 변형과 함께 본 발명이 사용될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 본 명세서에서 설명된 특징들은 단독적으로 사용될 수도 있고 다른 특징들과 조합하여 사용될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 실시예와 관련하여 설명된 특징들은 다른 실시예에서 설명된 특징들과 함께 및/또는 상호 교체되어 사용될 수 있다. 따라서, 현재 개시된 실시예들은 모든 면에서 제한적이 아닌 설명적인 것으로 간주되어야 하며, 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 표시되며, 전술한 상세한 설명에 한정되어서는 아니된다.
첨부된 청구범위의 넓은 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명의 다양한 변형들 및 변경들이 가능함을 당업자는 이해할 것이다. 이러한 것들의 몇몇은 위에서 논의되었으며 다른 것들은 당업자에게 명백할 것이다.
10…세퍼레이터 12…제1 가이드 롤
11,13,15…기어 14…제2 가이드 롤
16…제3 가이드 롤 17,19…체인
20…가이드 부재 30…리와인더
32…라이더 롤 40…저속 유지부재
42…구동원 44…동력 연결 부재

Claims (18)

  1. 주행하는 필름 형태의 세퍼레이터가 접촉되어 회전되며 적어도 하나 또는 그 이상의 가이드 롤들을 구비하는 가이드 부재;
    상기 가이드 부재로부터 공급되는 상기 세퍼레이터를 권취할 수 있도록 미리 결정된 속도로 회전되는 리와인더;
    상기 리와인더의 회전속도보다 미리 결정된 속도만큼 느리게 상기 가이드 부재의 회전 속도를 유지할 수 있는 저속 유지부재를 구비하고,
    상기 저속 유지부재는:
    상기 가이드 롤들 중 어느 하나를 미리 결정된 속도로 회전시킬 수 있는 구동원; 및
    상기 가이드 롤들 사이를 연동 회전시키기 위한 동력 연결 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터의 권취 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 동력 연결 부재는:
    각각의 가이드 롤의 회전축에 설치된 기어들; 및
    상기 기어들을 연결하는 체인들을 구비하는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터 권취 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동력 연결 부재는:
    각각의 가이드 롤의 회전축에 설치된 풀리들; 및
    상기 풀리들을 연결하는 벨트들을 구비하는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터 권취 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 동력 연결 부재는 상기 구동원의 회전 속도와 동일한 속도로 각각의 상기 가이드 롤들을 회전시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터 권취 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 동력 연결 부재는 상기 가이드 롤들 중 상기 세퍼레이터의 주행 경로에서 상기 리와인더로부터 멀어질수록 회전 속도가 감소되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터 권취 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 부재의 회전 속도는 상기 리와인더의 회전 속도의 25% 내지 95%의 범위에서 결정되는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터 권취 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 이차 전지용 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터 권취 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는, 미세 다공을 포함하는 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 또는 이들 필름들의 조합에 의해서 제조되는 다층 필름, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 또는 폴리비닐리덴 플로오라이드 헥사플로오르프로필렌 공중합체의 고분자 전해질용 고분자 필름으로, 이들 필름의 적어도 일면에 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 유기-무기 다공성 코팅층이 형성된 필름으로 구성된 것을 특징으로 하는 세퍼레이터 권취 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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