KR101718468B1 - 이차전지용 분리막 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 세라믹 분말을 포함하는 분리막 기재; 및 상기 분리막 기재의 상부면, 하부면 또는 이들 모두에 접착성 고분자층을 포함하는 이차전지용 분리막, 및 폴리올레핀계 고분자에 세라믹 분말을 혼합하여 압출한 후 스트레칭 공정을 수행하여 세라믹 분말이 포함된 분리막 기재를 제조하고, 상기 분리막 기재의 상부면, 하부면 또는 이들 모두에 전기방사 코팅방법으로 접착성 고분자층을 형성시키는 것을 포함하는 이차전지용 분리막의 제조방법에 관한 것이다.

Description

이차전지용 분리막 및 이의 제조방법{Separator for secondary battery and manufacturing method thereof}
본 발명은 이차전지용 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
분리막 기재는 폴리올레핀 계열의 고분자만을 사용하여 제조되었으며, 일반적으로 폴리올레핀, 폴리프로필렌 단독 또는 이들을 적층 성형(laminating)한 3단 층의 원단을 사용하였다. 하지만, 이러한 분리막 기재는 폴리올레핀이라는 재질의 한계로 인해 열적, 기계적 강도가 약한 문제가 있다. 이러한 분리막 기재의 구조적 한계를 개선하기 위해 분리막 기재 표면에 안전성을 강화한 코팅층을 형성하기도 하지만, 추가 공정 및 원재료로 인해 원가가 상승하게 되며, 근본적으로 분리막 기재의 물성을 향상시키지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 열수축에 대한 안전성 및 기계적 강도가 증가하고 전극과의 접착력이 향상된 이차전지용 분리막 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 세라믹 분말을 포함하는 분리막 기재; 및 상기 분리막 기재의 상부면, 하부면 또는 이들 모두에 접착성 고분자층을 포함하는 이차전지용 분리막을 제공한다.
또한, 본 발명은 폴리올레핀계 고분자에 세라믹 분말을 혼합하여 압출한 후 스트레칭 공정을 수행하여 세라믹 분말이 포함된 분리막 기재를 제조하고, 상기 분리막 기재의 상부면, 하부면 또는 이들 모두에 전기방사 코팅방법으로 접착성 고분자층을 형성시키는 것을 포함하는 이차전지용 분리막의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 세라믹 분말을 포함하여 고온에서도 열수축이 발생하지 않고 기계적 강도가 증가하여 외부 충격에도 안전한 이차전지용 분리막을 제공한다.
또한, 접착성 고분자층을 포함하여 전극에 대한 분리막의 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 분리막 기재에 세라믹 코팅층을 형성시킨 종래의 분리막과는 다르게 분리막 기재 제조시 세라믹 분말을 혼합하여 분리막을 제조하므로 분리막 기재 내에 세라믹 분말이 포함되어 있어 전극과의 접착력이 향상될 수 있으며, 접착성 고분자층을 전기 방사 코팅방법으로 형성시켜 전극과의 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 분리막을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 이차전지용 분리막을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 코팅방법으로 접착성 고분자층의 형성을 나타낸 모식도이다.
본 발명은 세라믹 분말을 포함하는 분리막 기재; 및 상기 분리막 기재의 상부면, 하부면 또는 이들 모두에 접착성 고분자층을 포함하는 이차전지용 분리막을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 분리막은 세라믹 분말을 포함하여 고온에서도 열수축이 발생하지 않고 기계적 강도가 증가하여 외부 충격에도 안전하다. 또한, 접착성 고분자층을 포함하여 전극에 대한 분리막의 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 분리막 기재에 세라믹 코팅층을 형성시킨 종래의 분리막과는 다르게 분리막 기재 제조시 세라믹 분말을 혼합하여 분리막을 제조하므로 분리막 기재 내에 세라믹 분말이 포함되어 있어 전극과의 접착력이 향상될 수 있으며, 접착성 고분자층을 전기 방사 코팅방법으로 형성시켜 전극과의 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 분리막에서 상기 분리막 기재는 다공성일 수 있으며, 다공성으로 인해 전해액이 채워질 공간이 다수 존재하여 리튬의 전달이 용이하므로 이차전지 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 분리막 기재는 폴리올레핀계 고분자라면 특별히 제한되지 않으나, 우수한 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 필름, 유리섬유 또는 폴리올레핀 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있다.
상기 분리막 기재의 두께는 1 내지 100 ㎛일 수 있고, 5 내지 50 ㎛일 수 있다. 1 ㎛ 미만인 경우에는 기계적 강도가 저하될 수 있고, 100 ㎛를 초과할 경우에는 리튬의 전달이 용이하지 않을 수 있다. 상기 분리막 기재의 기공 크기(직경) 및 기공도는 특별한 제한이 없으나, 기공도는 5 내지 95%가 바람직하다. 기공 크기(직경)는 0.01 내지 50 ㎛일 수 있고 0.1 내지 20 ㎛일 수 있으며, 기공도는 5 내지 95%일 수 있다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.01 ㎛ 및 5% 미만일 경우 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기 및 기공도가 50 ㎛ 및 95%를 초과할 경우에는 기계적 강도가 저하될 수 있다.
상기 분리막 기재는 섬유 또는 막(membrane) 형태일 수 있으며, 섬유일 경우에는 다공성 웹(web)을 형성하는 부직포로서, 장섬유로 구성된 스폰본드(Spunbond) 또는 멜트 블로운(Melt blown) 형태일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 분리막에서 상기 세라믹 분말은 Al2O3, BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2 /3)O3-PbTiO3(PMN-PT), hafnia(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 세라믹 분말의 크기는 0.001 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 세라믹 분말이 0.001 ㎛ 미만인 경우에는 세라믹 분말의 분산성이 떨어져 오히려 리튬 이온의 이동을 방해할 수 있으며, 10 ㎛를 초과하는 경우에는 분리막의 두께 증가를 유발하여 상대적으로 전지 용량이 감소될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 분리막에서 상기 접착성 고분자층은 전극에서 사용되는 바인더 물질과 동일한 물질을 사용하면 동일한 물질간의 결합이기 때문에 접착력 발현이 유리(혼화성, miscibility)할 수 있고, 이에 대한 구체적인 예로 상기 접착성 고분자층은 폴리비닐리덴 플로라이드, 폴리비닐리덴 플로라이드-헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐리덴플로라이드-트리클로로에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드-클로로트리플로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크리로니트릴 스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 및 스티렌부타디엔 고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 접착성 고분자층의 두께는 0.5 내지 6 ㎛일 수 있다. 상기 접착성 고분자층의 두께가 0.5 ㎛ 미만인 경우에는 전극과의 접착력이 저하될 수 있고, 6 ㎛를 초과하는 경우에는 두께 증가로 인해 이차전지의 저항이 증가할 수 있다.
또한, 본 발명은 폴리올레핀계 고분자에 세라믹 분말을 혼합하여 압출한 후 스트레칭 공정을 수행하여 세라믹 분말이 포함된 분리막 기재를 제조하고, 상기 분리막 기재의 상부면, 하부면 또는 이들 모두에 전기방사 코팅방법으로 접착성 고분자층을 형성시키는 것을 포함하는 이차전지용 분리막의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 이차전지용 분리막의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 분리막의 제조방법은 폴리올레핀계 고분자에 세라믹 분말을 혼합하여 압출한 후 스트레칭 공정을 수행하여 세라믹 분말이 포함된 분리막 기재를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 분리막의 제조방법에서 분리막은 스폰본드 공법 또는 멜트 브라운 공법 등으로 제조될 수 있다.
상기 스폰본드 공법은 하나의 연속 공정을 거치는 것으로, 폴리올레핀계 고분자가 열을 받아 용융되어 장섬유를 형성하게 되며 뜨거운 공기에 의해 스트레칭(연신, stretching)되어 웹을 형성하는 것이다. 이때, 열에 의한 용융시 세라믹 분말을 혼합하게 된다.
상기 멜트 블로운 공법은 섬유를 형성할 수 있는 고분자를 수백 개의 작은 오리피스(orifice)로 형성된 방사구금(spinneret)을 통해 방사하는 공정으로서, 직경이 10 ㎛ 이하의 미세 섬유들이 상호 결합하여 거미줄과 같은 구조 형태(spider-web structure)를 가지는 3차원적 섬유이다. 멜트 블로운 공법에서는 폴리올레핀계 고분자와 세라믹 분말을 혼합하여 방사하며, 제조된 3차원 섬유는 스트레칭되고 권취된다.
상기 세라믹 분말은 상기 폴리올레핀계 고분자의 60 내지 90 중량%로 포함될 수 있다. 상기 세라믹 분말이 60 중량% 미만인 경우에는 소망하는 정도의 기계적 강도를 유지할 수 없고, 90 중량%를 초과하는 경우에는 과량의 세라믹 분말로 인해 분리막의 다공성이 확보되지 않아 이온전도도가 저하되어 이차전지의 내부 저항이 증가할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 분리막의 제조방법은 상기 분리막 기재의 상부면, 하부면 또는 이들 모두에 전기방사 코팅방법으로 접착성 고분자층을 형성시키는 단계를 포함한다.
상기 접착성 고분자층은 전기방사의 정전력에 의해 낮은 점도 상태의 고분자를 순간적으로 섬유형태로 방사하여 형성될 수 있다. 상기 전기 방사(electrospinning) 코팅방법에 대해 기술하면, 방사 노즐부에 양극성(+) 또는 음극성(-)의 전압을 직접 인가하여 용액을 하전시킨 후, 하전된 용액을 방사노즐부를 거쳐 공기층으로 토출하고, 이어서 공기층에서 하전 필라멘트의 연신 및 또 다른 필라멘트 분기를 거쳐 극세 섬유를 제조하는 방사 방법이다. 양극성(+) 전압의 인가를 통해 (+) 전하가 대전된 토출 필라멘트 또는 음극성 전압의 인가를 통해 (-)전하가 대전된 토출 필라멘트는 방사노즐부와 집적부(Collector) 사이에 형성된 전기장 속에서 인접 필라멘트간 상호 반발 등 전기적 영향으로 심한 요동을 거치면서 극세화된다. 이렇게 형성된 극세 필라멘트는 그 직경이 나노급에 해당하는 섬유로서, 접지시킨 집적부 또는 하전 필라멘트의 극성과 반대극성으로 대전된 집적부 상에 집적되어 웹(Web)형태로 제조된다. 전술한 전기 방사법을 실시하는 경우, 접착성 고분자가 용매에 용해된 용액을 전기 방사 장치의 배럴에 투입한 후 고전압이 인가된 방사 노즐을 통해 토출하여 분리막 기재에 코팅 및 건조하여 부착될 수 있다. 이때, 고전압 범위, 토출량, 고분자 용액의 농도 등은 특별한 제한이 없다.
또한, 본 발명은 양극 활물질을 포함하는 양극; 본 발명에 따른 상기 분리막; 음극 활물질을 포함하는 음극; 및 전해질을 포함하는 이차전지를 제공한다.
상기 음극은 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는 충진제를 더 첨가하기도 한다. 양극은 또한 음극의 제조와 유사하게 양극 집전체 상에 양극 활물질을 도포, 건조하여 제작될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 전술한 바와 같다.
양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 전지 집전체를 형성하고, 상기 전지 집전체를 와인딩하거나 접어서 원통형 전지 케이스 또는 각형 전지 케이스에 넣은 다음, 전해질을 주입하면 이차전지가 완성된다. 다른 방법으로는 상기 전지 집전체를 바이셀 구조로 적층한 다음, 이를 전해질에 함침시키고, 얻어진 결과물을 파우치에 넣어 밀봉하면 이차전지가 완성된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 분리막(100)을 나타낸 모식도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 분리막(100)은 분리막 기재(110)에 세라믹 분말(120)이 포함되어 있으며, 분리막 기재(110)의 하부면에 접착성 고분자층(130)이 형성된다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 이차전지용 분리막(100a)을 나타낸 모식도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 이차전지용 분리막(100a)은 분리막 기재(110)에 세라믹 분말(120)이 포함되어 있으며, 분리막 기재(110)의 상부면 및 하부면에 접착성 고분자층(130)이 형성된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기방사 코팅방법으로 접착성 고분자층(130)의 형성을 나타낸 모식도이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 세라믹 분말(120)을 포함하는 분리막 기재(110)에 전기방사에 의해 접착성 고분자를 분사하여 접착성 고분자층(130)을 형성한다.
100, 100a: 이차전지용 분리막
110: 분리막 기재 120: 세라믹 분말
130: 접착성 고분자층

Claims (11)

  1. 스펀본드 또는 멜트 블로운 공법에 의해, 폴리올레핀계 고분자와, 상기 폴리올레핀계 고분자의 60 내지 90 중량%로 포함되는 세라믹 분말로부터 섬유를 형성하는 단계와 스트레칭하는 단계를 포함하여 분리막 기재를 제공하고,
    접착성 고분자층을 전기방사 코팅방법에 의해 상기 분리막 기재의 상부면, 하부면 또는 이들 모두에 직접 형성시키는 것을 포함하는 이차전지용 분리막의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 분말은 Al2O3, BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), hafnia(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 분말의 크기는 0.001 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리막 기재의 두께는 1 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 고분자는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착성 고분자층은 폴리비닐리덴 플로라이드, 폴리비닐리덴 플로라이드-헥사플루오로프로필렌, 폴리비닐리덴플로라이드-트리클로로에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드-클로로트리플로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크리로니트릴 스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 및 스티렌부타디엔 고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착성 고분자층의 두께는 0.5 내지 6 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착성 고분자층은 전기방사의 정전력에 의해 낮은 점도 상태의 고분자를 순간적으로 섬유형태로 방사하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 분리막의 제조방법.
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