KR101676438B1 - 난연성 미세다공성 폴리올레핀계 필름 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

난연성 미세다공성 폴리올레핀계 필름 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 난연성 및 내용융성(melt integrity)이 우수한 무기 필러 AlOOH ('AOH')가 사용된 폴리올레핀계 분리막 및 이러한 분리막을 포함함으로써 안전성이 향상된 리튬이차전지에 관한 것이다.

Description

난연성 미세다공성 폴리올레핀계 필름 및 이를 포함하는 이차전지 {Flame retardant porous polyolefin-based film and secondary battery comprising the same}
본 발명은 난연성 미세다공성 폴리올레핀계 필름 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내열성을 가질 뿐만 아니라 내용융성(melt integrity)도 우수한 무기필러 AlOOH ('AOH' 라고도 함)가 사용되어 난연성 특성이 강화된 폴리올레핀계 필름 및 이러한 필름을 분리막으로 포함함으로써 이상 발열시에도 안전성이 확보되는 이차전지에 관한 것이다.
리튬이차전지로 대표되는 이차전지는, 예를 들어 휴대 전화나 노트북과 같은 휴대용 전자 기기의 주전원으로서 광범위하게 보급되어 있다. 이와 같은 리튬이차 전지에서는 고에너지 밀도화·고용량화·고출력화에 대한 요구가 높아지고 있고, 이에 따라, 전지의 안전성을 확보하는 기술이 더 중요해지고 있다.
일반적으로, 리튬이차전지의 분리막에는, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 미세다공성 폴리올레핀계 필름이 사용되고 있다. 이러한 분리막은 리튬이차전지의 안전성을 확보하기 위해 통상적으로 셧다운 기능을 갖는다. '셧다운 기능'이란 전지가 발열 등에 의해 온도가 상승하여 일정 온도에 도달하면 저항이 크게 증가하여 전류를 차단함으로써 전지의 추가적인 발열을 방지하고, 발연·발화·폭발을 방지하는 기능을 의미한다. 폴리에틸렌계 분리막은 폴리에틸렌의 융점 근방인 대략 140℃에서 셧다운 기능이 작동하고, 폴리프로필렌 분리막은 대략 165℃에서 셧다운 기능이 작동한다.
셧다운 기능 이외에, 리튬이차전지의 분리막은 충분한 내열성을 필요로 한다. 이는, 폴리올레핀계 분리막에서 셧다운 기능이 작동한 후에도 상기 분리막이 지속적으로 고온에 노출되는 경우에 상기 분리막은 용융(melt down)되기 시작한다. 이러한 용융 결과, 전지 내부에서 단락이 발생하여, 전지는 발연·발화·폭발과 같은 위험에 노출되게 된다. 이 때문에, 분리막에는 셧다운 기능에 추가하여, 셧다운 기능이 작동하는 온도 근방에서 용융이 발생하지 않을 정도의 충분한 내열성이 요구된다.
이를 위해 당업계에서는 인계, 할로겐계 등의 난연제를 분리막 제조시에 사용하였는데, 이러한 난연제는 분리막에 내열성을 부여하였으나, 용융 자체에는 영향을 주지 못하였다.
또한, 난연제로 사용되는 알루미나 트리하이드레이트(ATH)는 열분해시에 Al2O3와 함께 발생되는 H2O에 의해 연소가 일어나는 난연 메커니즘을 갖는데, 이러한 열분해가 200 ℃ 부근에서 시작되므로 분리막의 고온 압출공정에서 이미 ATH의 열분해가 일어나 난연 기능이 상실되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명에서는 분리막으로 사용되는 미세다공성 필름의 내열성과 내용융성을 향상시키고자 한다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, AlOOH를 포함하는 미세다공성 폴리올레핀계 필름이 제공된다.
상기 미세다공성 폴리올레핀계 필름은 고밀도폴리에틸렌(high density polyethylene), 저밀도폴리에틸렌(low density polyethylene), 선형저밀도폴리에틸렌(linear low density polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 고결정성폴리프로필렌(high crystalline polypropylene), 폴리-1-부텐(poly-1-butene), 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체(polyethylene-propylene copolymer), 폴리에틸렌-부틸렌 공중합체(polyethylene-butylene copolymer), 폴리에틸렌-헥센 공중합체(polyethylene-hexene copolymer), 폴리에틸렌-옥텐 공중합체(polyethylene-octene copolymer), 폴리스티렌-부틸렌-스티렌 공중합체(polystyrene-butylene-styrene copolymer), 폴리스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체(polystyrene-ethylene-butylene-styrene copolymer), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리페닐렌 옥사이드(polyphenylene oxide), 폴리올레핀 이오노머(ionomer), 폴리메틸 펜텐(polymethyl pentene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상으로부터 제조될 수 있다.
AlOOH는 미세다공성 폴리올레핀계 필름에 내재되어 있을 수 있다.
AlOOH는 미세다공성 폴리올레핀계 필름의 적어도 일면에 코팅되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 음극, 양극, 및 상기 음극과 양극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 분리막이 전술한 미세다공성 폴리올레핀계 필름인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, AlOOH를 폴리올레핀계 수지 조성물에 포함시키는 공정을 포함하는 폴리올레핀계 필름의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, AlOOH를 포함하는 슬러리를 미세다공성 폴리올레핀계 필름 기재의 일면 또는 양면에 코팅시키는 공정을 포함하는 폴리올레핀계 필름의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 분리막에는 AlOOH가 포함되어, 분리막의 내열성과 용융성이 보다 향상되는 물성을 갖게 된다. 그 결과, 상기 폴리올레핀계 분리막을 포함하는 리튬이차전지는 이상 발열시 보다 고온에서도 향상된 안전성을 확보할 수 있다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 폴리올레핀계 분리막은 고밀도폴리에틸렌(high density polyethylene), 저밀도폴리에틸렌(low density polyethylene), 선형저밀도폴리에틸렌(linear low density polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 고결정성폴리프로필렌(high crystalline polypropylene), 폴리-1-부텐(poly-1-butene), 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체(polyethylene-propylene copolymer), 폴리에틸렌-부틸렌 공중합체(polyethylene-butylene copolymer), 폴리에틸렌-헥센 공중합체(polyethylene-hexene copolymer), 폴리에틸렌-옥텐 공중합체(polyethylene-octene copolymer), 폴리스티렌-부틸렌-스티렌 공중합체(polystyrene-butylene-styrene copolymer), 폴리스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체(polystyrene-ethylene-butylene-styrene copolymer), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리페닐렌 옥사이드(polyphenylene oxide), 폴리올레핀 이오노머(ionomer), 폴리메틸 펜텐(polymethyl pentene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 수지를 기재로 하여 제조될 수 있으며, 그 제조방법으로는 습식 또는 건식에 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 폴리올레핀계 분리막은 무기 필러로 AlOOH를 포함한다. AlOOH는 열분해되기 시작하면서 에너지를 흡수하여 물을 발생시켜서 산화물 층을 형성한다. 즉, AlOOH는 흡열 기능과 함께 연소 기능도 갖는다.
AlOOH는 0.1~2 ㎛ 범위의 입경을 가질 수 있는데, 이러한 입경 범위가 제조비용 및 분리막 단락 측면에서 바람직하다.
AlOOH를 폴리올레핀계 분리막 기재에 적용하는 방법은 특별히 제한되지 않는다.
AlOOH를 폴리올레핀계 분리막 기재에 적용하는 방법의 일례로, AlOOH를 폴리올레핀계 수지 조성물에 포함시킨 후에 미세다공성 필름의 일반적인 제조방법, 예컨대, 습식 또는 건식 방법으로 제조할 수 있다. 상기 슬러리에는 당업계에서 통상적으로 사용되는 첨가제가 포함될 수 있다.
또는, AlOOH를 슬러리에 용해시킨 후에 미세다공성 폴리올레핀계 필름의 일면 또는 양면에 코팅시키는 방법이 있다. 슬러리를 구성하는 용매로는 AlOOH를 용해하는 것이면 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 N-메틸 피롤리돈, 디메틸 아세트아미드, 디메틸 포름아미드, 디메틸 설폭시드 등을 들 수 있다. AlOOH의 함량은 슬러리중 50 내지 95중량%인 것이 바람직하다. AlOOH 함량이 지나치게 적게 함유되면 AlOOH의 내열성 및 내용융성 향상 효과가 충분하지 않게 되고, AlOOH 함량이 지나치게 많이 함유되면 폴리올레핀계 기재의 기공을 폐색시키거나 취급성을 저하시킬 수 있다. 상기 슬러리를 폴리올레핀계 필름 기재의 일면 또는 양면에 도포한다. 내열성 향상을 위해서는 양면에 도포하는 것이 바람직하다. 슬러리 도포 방법으로는 나이프 코터(knife coater)법, 그라비아 코터법, 스크린 인쇄법, 다이 코터법, 리버스 롤 코터법, 잉크젯법, 스프레이법, 롤 코터법 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이어서, 상기 슬러리를 당업계에서 통상적인 방법으로 응고 건조시키거나, 또는 건조시키는 등의 방법으로 슬러리 중의 용매를 제거할 수 있다. 형성된 AlOOH 층은 목적하는 난연성 효과를 확보하면서 저항 증가는 억제하도록 하는 두께를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 폴리올레핀계 분리막의 두께는 5 내지 100 ㎛ 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
폴리올레핀계 필름은 분리막으로 사용되어야 하므로, 기공이 형성되어 있는 다공성인 것을 특징으로 한다. 분리막 기공은 예컨대, 0.01 내지 10 nm 범위의 직경을 가질 수 있으며, 기공을 통해 분리막의 한 면으로부터 다른 면으로 기체 또는 액체가 통과할 수 있게 된다. 분리막 공극률은 예컨대, 30 내지 70%일 수 있다. 공극률이 30% 미만인 경우에는 투과성이 저하되어 리튬이온의 이동도가 저하되기 때문에 바람직하지 않고, 공극률이 70%을 넘으면 분리막의 기계적 강도가 불충분하게 되므로 바람직하지 않다. 또한, 폴리올레핀 분리막의 걸리값(Gurley value)은 100 내지 500sec/100cc일 수 있다. 걸리값이 상기 하한치보다 적은 경우에는 분리막의 기계적 강도가 지나치게 저하되기 쉽고, 500sec/100cc을 넘으면 분리막의 막 저항이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
이와 같이 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 양극과 음극 사이에 개재시켜 리튬이차전지에 이용된다. 리튬이차전지에는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등이 포함될 수 있다.
리튬이차전지는 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 이의 일 실시예를 들면 양극과 음극 사이에 전술한 분리막을 개재(介在)시켜 조립한 후 전해액을 주입함으로써 제조될 수 있다.
상기 분리막과 함께 적용될 전극으로는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질이 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다.
상기 전극활물질 중 양극활물질의 비제한적인 예로는 종래 리튬이차전지의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
음극활물질의 비제한적인 예로는 종래 리튬이차전지의 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 일 실시예에서 사용될 수 있는 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, 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 포함하는 염이 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 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전해액 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 일 실시예에 따른 분리막을 전지로 적용하는 공정으로는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.

Claims (7)

  1. AlOOH가 미세다공성 폴리올레핀계 필름에 내재되어 있는 리튬이차전지 분리막용 미세다공성 폴리올레핀계 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세다공성 폴리올레핀계 필름이 고밀도폴리에틸렌(high density polyethylene), 저밀도폴리에틸렌(low density polyethylene), 선형저밀도폴리에틸렌(linear low density polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 고결정성폴리프로필렌(high crystalline polypropylene), 폴리-1-부텐(poly-1-butene), 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체(polyethylene-propylene copolymer), 폴리에틸렌-부틸렌 공중합체(polyethylene-butylene copolymer), 폴리에틸렌-헥센 공중합체(polyethylene-hexene copolymer), 폴리에틸렌-옥텐 공중합체(polyethylene-octene copolymer), 폴리스티렌-부틸렌-스티렌 공중합체(polystyrene-butylene-styrene copolymer), 폴리스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체(polystyrene-ethylene-butylene-styrene copolymer), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리페닐렌 옥사이드(polyphenylene oxide), 폴리올레핀 이오노머(ionomer), 폴리메틸 펜텐(polymethyl pentene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 1 종 이상으로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 분리막용 미세다공성 폴리올레핀계 필름.
  3. 제1항에 있어서,
    0.01 내지 10 nm 범위의 직경을 갖는 기공이 형성되어 있는 다공성인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 분리막용 미세다공성 폴리올레핀계 필름.
  4. 제1항에 있어서,
    AlOOH가 0.1 내지 2 ㎛ 범위의 입경을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 분리막용 미세다공성 폴리올레핀계 필름.
  5. 음극, 양극, 및 상기 음극과 양극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 리튬이차전지에 있어서,
    상기 분리막이 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 따른 리튬이차전지 분리막용 미세다공성 폴리올레핀계 필름인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
  6. AlOOH를 폴리올레핀계 수지 조성물에 포함시켜서 미세다공성 폴리올레핀계 필름으로 형성시키는 공정을 포함하는 제1항에 기재된 리튬이차전지 분리막용 미세다공성 폴리올레핀계 필름의 제조방법.
  7. 삭제
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