KR101750324B1 - 흡열물질을 포함하는 세퍼레이터 및 이를 구비한 전기화학소자 - Google Patents

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Abstract

다수의 기공을 갖는 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재의 적어도 일면 및 상기 다공성 기재의 기공 중 1종 이상의 영역에 형성되어 있으며, 다수의 무기물 입자, 흡열물질 및 상기 무기물 입자와 흡열물질을 연결 및 고정시키는 바인더를 포함하는 다공성 코팅층을 구비하는 세퍼레이터 및 이를 포함하는 전기화학소자가 제시되며, 상기 세퍼레이터는 리튬 이차전지와 같은 다양한 전기화학소자에 채용될 수 있다.

Description

흡열물질을 포함하는 세퍼레이터 및 이를 구비한 전기화학소자{A separator having heat absorbing materials and electrochemical device containing the same}
본 발명은 다공성 코팅층을 구비한 세퍼레이터 및 이를 구비한 전기화학소자 에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흡열물질을 포함하는 다공성 코팅층을 구비한 세퍼레이터 및 이를 구비한 전기화학소자에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 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, 제조가 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.
종래의 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상 등에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성에 노출된다. 예를 들어, 못과 같이 도전성 물체가 전지를 관통할 경우, 전지 내부의 전기화학적 에너지가 열 에너지로 전환되면서 급격한 발열이 일어나게 되고 이에 수반되는 열에 의해 캐소드 또는 애노드 물질이 화학반응을 하여 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 발생할 수 있다. 또한, 전지가 무거운 물체에 눌리거나 강한 충격을 받거나 고온에 노출될 경우에도 이와 같은 안전성 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압의 변화를 이용하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등을 장착하여 사용하거나, 전지 내부의 온도나 전압의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 노력을 하였다.
셀 바깥쪽에 장착하는 소자들은 온도나 전압 그리고 내압을 이용하기 때문에 확실한 차단을 가져올 수 있는 반면에, 추가적인 설치공정 및 설치공간이 요구되며, CID 소자의 경우 원통형 전지에만 적용할 수 있다는 단점이 있다. 또한, 내부 단락, 침상 관통, 국부적 손상 등과 같이 빠른 응답시간이 요구되는 경우에는 제대로 보호역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다.
또한, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법의 하나로 전해액이나 전극에 안전성을 향상시키는 첨가제를 부가하는 방법이 있다. 화학적 안전장치는 추가공정 및 공간을 필요로 하지 않으며 모든 종류의 전지에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 물질의 첨가로 인해 부동막 형성시 부산물이 발생하여 전지의 성능을 저하시키거나, 전지내부에서 차지하는 부피가 커서 전지의 용량감소를 가져오는 문제점을 안고 있다.
따라서, 전지의 작동 성능을 저하시키지 않으면서 발화 및 폭발을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 여전히 높은 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전술한 문제점을 해결하여, 전지의 과충전시에 전지 내부 온도 상승에 의한 세퍼레이터의 열수축을 억제하고, 그로 인한 캐소드와 애노드 사이의 접촉을 방지하여 캐소드와 애노드 사이의 단락현상을 개선하고, 전지의 급속한 온도상승이 일어나는 경우에도 온도 상승 속도를 감소시켜 전기화학소자의 폭발 및 발화를 예방할 수 있는 세퍼레이터 및 이를 구비한 전기화학소자를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,
다수의 기공을 갖는 다공성 기재; 및
상기 다공성 기재의 적어도 일면 및 상기 다공성 기재의 기공 중 1종 이상의 영역에 형성되어 있으며, 다수의 무기물 입자, 흡열물질 및 상기 무기물 입자와 흡열물질을 연결 및 고정시키는 바인더를 포함하는 다공성 코팅층을 구비하는 세퍼레이터가 제공된다.
또한, 상기 흡열물질은 바인더에 의해 연결 및 고정된 무기물 입자들 사이의 틈새 공간, 및 바인더에 의해 연결 및 고정된 무기물 입자들에 의해 형성된 층의 상면 중 1 종 이상의 영역에 위치할 수 있다.
또한, 상기 다공성 코팅층내에는 흡수제를 추가로 포함시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
캐소드, 애노드, 상기 캐소드 및 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전기화학소자에 있어서, 상기 세퍼레이터가 전술한 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 전기화학소자가 제공된다.
상기 전기화학소자는 리튬 이차전지일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 전기화학소자는 흡열물질이 다공성 코팅층 내에 포함됨으로써, 전지의 과충전시에 전지 내부 온도 상승에 의한 세퍼레이터의 열수축을 억제하고, 그로 인한 캐소드와 애노드 사이의 접촉을 방지하여 캐소드와 애노드 사이의 단락현상을 개선하고, 전지의 급속한 온도상승이 일어나는 경우에도 온도 상승 속도를 감소시켜 전기화학소자의 폭발 및 발화를 예방하며, 전기화학소자의 셀 내부 온도를 제어하여 그에 따른 과충전 가능 전압을 올릴 수 있게 된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 일 측면에 따른 세퍼레이터는,
다수의 기공을 갖는 다공성 기재; 및
상기 다공성 기재의 적어도 일면 및 상기 다공성 기재의 기공 중 1종 이상의 영역에 형성되어 있으며, 다수의 무기물 입자, 흡열물질 및 상기 무기물 입자와 흡열물질을 연결 및 고정시키는 바인더를 포함하는 다공성 코팅층을 구비한다.
적층된 단위 셀들로 이루어진 전기화학소자에 있어서, 이러한 소자의 운전 중에 각각의 단위 셀들은 시간의 경과에 따라 셀 내부의 온도가 상승하게 된다. 이때, 소자의 상하부에 인접한 셀들의 경우는 외부의 상대적으로 낮은 온도 분위기에 인접하고 있어서 셀 내부의 열을 발산시킬 수 있으나, 적층 구조의 중심부에 위치한 단위 셀들이 발산하는 열은 외부로 배출되지 못하고 중심부에서 더욱 축적되어 전기화학소자 내부의 온도를 상승시키는 원인을 제공한다.
하지만, 이러한 셀들이 발산하는 열을 조기에 흡수하기 위하여 모든 단위 셀들의 전극 표면이나 분리막 표면에 흡열층을 도입하는 경우에는 소자 내부의 열의 흡수라는 목적에서는 소정의 성과를 거둘 수 있을지 모르나, 이러한 각 단위 셀들에 도입된 다수의 흡열층들이 전기화학소자의 저항체로 역할을 하게 되어 전기화학소자의 성능을 저하시키는 원인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 세퍼레이터는 다공성 코팅층 내에 무기물 입자와 함께 흡열물질을 도입함으로써, 전기화학소자에 적용시, 전기화학소자의 성능에 영향을 최소화하면서 비정상적인 작동 상태에서 전지의 발열량을 효율적으로 흡수하고, 셀 내부의 온도 조절 및 과충전 성능 향상을 꾀할 수 있게 된다.
상기 흡열물질은 세퍼레이터의 다공성 기재 상에 다공성 코팅층을 형성하는 방법에 따라서, 그 위치가 다양하게 조절될 수 있다.
즉, 상기 다공성 코팅층을 형성하는 방법으로는, 흡열물질을 무기물 입자와 함께 코팅하는 경우, 무기물 입자를 코팅한 이후에 그 무기물 입자층의 상면에 추가로 흡열물질을 코팅하는 경우, 또는 이들 코팅 방법을 둘다 병행하는 경우가 있을 수 있다.
이때, 흡열물질을 무기물 입자와 함께 다공성 기재 상에 코팅하여 다공성 코팅층을 형성하는 경우에는, 흡열물질은 바인더에 의해 연결 및 고정된 무기물 입자들 사이의 틈새 공간에 위치하고, 또한 상기 흡열물질도 바인더에 의해 무기물 입자들과 연결될 수 있다.
또한, 무기물 입자를 코팅한 이후에 그 무기물 입자층의 상면에 흡열물질을 바인더 용액에 분산시킨 코팅액으로 추가 코팅하는 경우에는, 앞서 바인더에 의해 연결 및 고정된 무기물 입자들에 의해 형성된 코팅층의 상면에 흡열물질 단독의 층이 구비될 수 있다.
이러한 두가지 방법이 병행되는 경우, 즉 다공성 코팅층에 도입할 흡열물질의 전체 함량중 일부는 무기물 입자와 함께 코팅층을 형성하는데 적용하고, 나머지는 이렇게 형성된 코팅층의 상면에 흡열물질로만 이루어진 층을 더 부가하는데 적용될 수도 있다.
흡열물질이 무기물 입자들 사이의 틈새 공간에 위치하는 경우에는, 흡열물질이 다공성 코팅층 상에 견고하게 결속되어 있어, 전해액의 유입 등에 의해 소실될 가능성이 줄어들 수 있다. 한편, 흡열물질이 무기물 입자의 코팅층의 상면에 위치하여 흡열물질의 코팅층으로 도입되는 경우에는 세퍼레이터의 최상면에서 전지의 발열량을 보다 더 집중적으로 흡수하여, 셀 내부의 온도를 효율적으로 조절할 수 있다.
먼저, 상기 다공성 코팅층에 적용되는 무기물 입자는 평균입경이 0.01 내지 10㎛인 것을 사용할 수 있다. 또한 이들 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 상기 무기물 입자는 적용되는 전기화학소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우 전기화학소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 무기물 입자로서 유전율이 높은 무기물 입자를 사용하는 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 또는 10 이상인 고유전율 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT, 여기서 0 < x < 1), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-PT, 여기서 0 < x < 1), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, SiC, TiO2 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다
특히, 전술한 BaTiO3, Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT, 여기서 0 < x < 1), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-PT, 여기서 0 < x < 1), 하프니아(HfO2)와 같은 무기물 입자들은 유전율 상수 100 이상인 고유전율 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 압전성(piezoelectricity)을 가짐으로써, 외부 충격에 의한 양(兩) 전극의 내부 단락 발생을 방지하여 전기화학소자의 안전성 향상을 도모할 수 있다. 또한, 전술한 고유전율 무기물 입자와 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자들을 혼용할 경우 이들의 상승 효과는 배가될 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭하는 것으로서, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지 내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다. 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 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), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), Li3.25Ge0.25P0.75S4 등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 글래스(LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4), LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5 계열 글래스(LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 또는 이들의 혼합물 등이 있다.
상기 무기물 입자와 함께 다공성 코팅층을 구성하는 흡열물질은 전기화학소자의 온도가 소정의 온도 이상으로 상승하였을 때 흡열반응을 유발하는 물질로서, 전지의 내부 물질과 반응하지 않음으로써 전지의 성능 및 작동에 영향을 미치지 않는 재료라면 제한 없이 사용될 수 있다.
이때, 소정의 온도라 함은 전지의 안전성을 위협할 수 있는 온도로서, 전지의 설계에 따라 달라질 수는 있겠지만, 예를 들면, 80 내지 200℃의 범위, 150 내지 190℃의 범위이다.
이러한 흡열물질의 예로는, 알루미늄, 마그네슘, 규소, 지르코늄, 칼슘, 스트로튬, 바륨, 안티몬, 주석, 아연 및 희토류 원소로 이루어진 군에서 선택된 1 종 또는 그 이상의 원소를 포함하는 산화물 또는 수산화물일 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다.
보다 구체적으로는, 금속 산화물로는 알루미나, 알루미늄 과산화물, 주석-아연 산화물(Zn2SnO4, ZnSnO3), 삼산화안티몬(Sb2O3), 사산화안티몬(Sb2O4), 오산화안티몬(Sb2O5) 등이 있고, 금속 수산화물로는 수산화알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)2) 아연주석수산화물 (ZnSn(OH)6)이 있다.
또한 금속 수산화물의 일종인 수산화알루미늄은 200℃ 이상의 온도에서 열 흡수를 통해 Al2O3와 물(H2O)로 분해되는데, 이때 1,000J/g 정도의 열 에너지를 흡수하게 된다 (반응식 1 참조). 또한, 수산화마그네슘 역시 1,300J/g 정도의 흡열성을 나타낸다(반응식 2 참조). 따라서 이러한 금속 수산화물은 상기 열에너지에 해당되는 열이 전기화학소자 내부에서 발생하는 경우, 즉시 흡열 반응을 통해 전술한 안전성 향상 효과를 도모할 수 있다.
반응식 1
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O (200℃ 이상) △H = -1051J/g
반응식 2
Mg(OH)2 → MgO + H2O (340℃ 이상) △H = - 1316J/g
한편, 이러한 금속 수산화물의 흡열반응 과정에서 부산물로서 물이 생성하게 되며, 이러한 물은 전해액과 산화반응을 일으켜 전해액 성분을 분해시키며, 이 반응의 부산물이 전극 표면에 쌓여 용량 감소의 역할을 하여 전기화학소자의 성능을 저하시킬 수 있으므로, 다공성 코팅층에 이러한 물을 제거하는 흡수제를 추가로 구비할 수 있다. 이때, 상기 흡수제로는 통상적으로 사용되는 재료이면 제한 없이 사용될 수 있고, 예를 들면, 제올라이트, 다공성 실리카, 다공성 알루미나가 있으나, 여기에 한정되지는 않는다.
상기 흡수제는 전술한 다수의 무기물 입자, 흡열물질 및 바인더와 혼합하여 다공성 코팅층에 함께 적용될 수 있다.
상기 흡수제의 함량은 흡열물질 100 중량부를 기준으로 예를 들면 0.01 내지 10 중량부일 수 있다.
상기 흡수제의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 내부저항 증가에 따른 전지용량 감소 및 전지성능 저하를 방지하면서, 흡열반응의 부산물에 생성되는 물을 효과적으로 제거할 수 있다.
상기와 같이 흡열물질과 무기물 입자는 상기 세퍼레이터의 적어도 일면상에서 다공성 코팅층을 형성하게 되는 바, 이들을 세퍼레이터에 결합시키기 위하여 바인더를 사용한다.
본 발명의 일 측면에 따른 세퍼레이터에 있어서, 다공성 코팅층 형성에 사용되는 바인더로는 당 업계에서 다공성 코팅층 형성에 통상적으로 사용되는 고분자를 사용할 수 있다. 특히, 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)가 -200 내지 200℃인 고분자를 사용할 수 있는데, 이는 최종적으로 형성되는 다공성 코팅층의 유연성 및 탄성 등과 같은 기계적 물성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 이러한 바인더는 무기물 입자들 사이를 연결 및 안정하게 고정시켜주는 바인더 역할을 충실히 수행함으로써, 다공성 코팅층이 도입된 세퍼레이터의 기계적 물성 저하 방지에 기여한다.
또한, 바인더는 이온 전도 능력을 반드시 가질 필요는 없으나, 이온 전도 능력을 갖는 고분자를 사용할 경우 전기화학소자의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 바인더는 가능한 유전율 상수가 높은 것을 사용할 수 있다. 실제로 전해액에서 염의 해리도는 전해액 용매의 유전율 상수에 의존하기 때문에, 상기 바인더의 유전율 상수가 높을수록 전해질에서의 염 해리도를 향상시킬 수 있다. 이러한 바인더의 유전율 상수는 1.0 내지 100 (측정 주파수 = 1 kHz) 범위가 사용 가능하며, 특히 10 이상일 수 있다.
전술한 기능 이외에, 바인더는 액체 전해액 함침시 겔화됨으로써 높은 전해액 팽윤도(degree of swelling)를 나타낼 수 있는 특징을 가질 수 있다. 이에 따라, 바인더의 용해도 지수는 15 내지 45 MPa1/2 또는 15 내지 25 MPa1/2 및 30 내지 45 MPa1/2 범위이다. 따라서, 폴리올레핀류와 같은 소수성 고분자들보다는 극성기를 많이 갖는 친수성 고분자들이 더 사용될 수 있다. 용해도 지수가 15 MPa1/2 미만 및 45 MPa1/2를 초과할 경우, 통상적인 전지용 액체 전해액에 의해 팽윤(swelling)되기 어려울 수 있기 때문이다.
상기 바인더는, 전극에 첨가되는 결착제와 동일하거나 또는 상기 결착제로서 사용될 수 있는 물질들 중 하나일 수 있으며, 이러한 바인더의 비제한적인 예로는 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 들 수 있다.
상기 무기물 입자와 바인더의 중량비는 50:50 내지 99:1, 또는 60:40 내지 90:10, 또는 70:30 내지 80:20일 수 있다.
상기 흡열물질의 함량은, 예를 들면 무기물 입자 및 바인더의 총합 100 중량부에 대하여 5 내지 95 중량부, 10 내지 90 중량부일 수 있다.
상기 흡열물질의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 내부저항 증가에 따른 전지용량 감소 및 전지성능 저하를 방지할 수 있고, 효과적으로 전지 내부의 발생열을 흡수할 수 있게 된다.
또한, 흡열물질, 무기물 입자, 및 바인더로 구성되는 다공성 코팅층의 두께는 특별한 제한이 없으나, 0.01 내지 20㎛ 범위일 수 있다. 또한, 상기 다공성 코팅층의 기공 크기 및 기공도 역시 특별한 제한이 없으나, 기공 크기는 0.01 내지 10㎛ 범위일 수 있고, 기공도는 5 내지 90% 범위일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터에 있어서, 다공성 코팅층이 형성되는 다공성 기재로는 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로(polyphenylenesulfidro), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50㎛일 수 있고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50㎛ 및 10 내지 95%일 수 있다.
상기 다공성 기재로서 폴리올레핀계 다공성 막을 사용하는 경우, 무기물 입자, 흡열물질 및 바인더로 이루어진 다공성 코팅층이 다공성 기재의 양면 또는 일면에 형성될 수 있으며, 다공성 기재로서 폴리올레핀계 부직포를 사용하는 경우, 무기물 입자, 흡열물질 및 바인더로 이루어진 다공성 코팅층은 상기 다공성 기재 내부 기공부에 함침되어 형성되거나, 다공성 기재의 양면 또는 일면에 형성될 수 있다.
이때 다공성 기재로 사용된 폴리올레핀계 부직포는 대략 100nm 이하의 기공을 갖는 폴리올레핀계 다공성 막에 비하여 훨씬 큰 500nm 내지 10㎛의 기공을 가질 수 있다.
상기 다공성 코팅층에서는 바인더가 무기물 입자들 및 흡열물질이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착(즉, 바인더가 무기물 입자 사이를 연결 및 고정)시키고 있으며, 또한 다공성 코팅층은 바인더에 의해 다공성 기재와 결착된 상태를 유지한다. 다공성 코팅층의 무기물 입자와 흡열물질들은 실질적으로 서로 접촉한 상태로 최밀 충전된 구조로 존재하며, 무기물 입자들이 접촉된 상태에서 생기는 틈새 공간(interstitial volume)이 다공성 코팅층의 기공이 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세퍼레이터는 다공성 코팅층 성분으로 전술한 무기물 입자, 흡열물질 및 바인더 이외에, 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 첨가제로는 전기화학소자의 작동이나 성능 향상에 필수적으로 또는 부가적으로 요구되는 물질로서, 작동 과정에 소모됨으로 인해 지속적인 보충을 요하는 물질이라면 특별히 제한을 두지 않고 적용될 수 있다.
이러한 전기화학소자 성능 개선 첨가제의 비제한적인 예로는, 고체 전해질 계면 형성용 첨가제, 전지 부반응 억제 첨가제, 열안정성 개선 첨가제, 과충전 억제 첨가제 등 중 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 고체 전해질 계면 형성용 첨가제로는 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트, 환형 설파이트, 포화 설톤, 불포화 설톤, 비환형 설폰, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다.
상기 환형 설파이트로는 에틸렌 설파이트, 메틸 에틸렌 설파이트, 에틸 에틸렌 설파이트, 4,5-디메틸 에틸렌 설파이트, 4,5-디에틸 에틸렌 설파이트, 프로필렌 설파이트, 4,5-디메틸 프로필렌 설파이트, 4,5-디에틸 프로필렌 설파이트, 4,6-디메틸 프로필렌 설파이트, 4,6-디에틸 프로필렌 설파이트, 1,3-부틸렌 글리콜 설파이트 등을 들 수 있으며, 포화 설톤으로는 1,3-프로판 설톤, 1,4-부탄 설톤 등을 들 수 있으며, 불포화 설톤으로는 에텐 설톤, 1,3-프로펜 설톤, 1,4-부텐 설톤, 1-메틸-1,3-프로펜 설톤 등을 들 수 있으며, 비환형 설폰으로는 디비닐 설폰, 디메틸 설폰, 디에틸 설폰, 메틸에틸 설폰, 메틸비닐 설폰 등을 들 수 있다.
상기 전지 부반응 억제 첨가제로는 에틸렌디아민테트라아세트산, 테트라메틸에틸렌디아민, 피리딘, 디피리딜, 에틸비스(디페닐포스핀), 부티로니트릴, 숙시노니트릴, 아이오딘(iodine), 할로겐화 암모늄, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다.
상기 열안정성 개선 첨가제로는 헥사메틸디실록산, 헥사메톡시시클로트리포스파젠, 헥사메틸포스포르아미드, 시클로헥실벤젠, 비페닐, 디메틸피롤, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 여기에 한정되지 않는다.
상기 과충전 억제 첨가제로는 n-부틸페로센, 할로겐 치환 벤젠 유도체, 시클로헥실벤젠, 및 비페닐로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 여기에 한정되지 않는다.
상기 전기화학소자 성능 개선 첨가제의 예로서 각 화합물들의 유도체로는 각 화합물의 탄소 원자에 결합된 수소 원자 중 적어도 1개가 할로겐으로 치환된 화합물을 포함한다.
상기 전기화학소자 성능 개선 첨가제의 함량은 무기물 입자 및 바인더의 총합 100 중량부에 대하여 2 내지 20 중량부, 또는 4 내지 18 중량부, 또는 6 내지 15 중량부일 수 있다.
상기 첨가제의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 첨가의 효과를 충분히 발현하고, 과잉의 첨가제가 방출되어 부반응이 일어나는 문제가 방지되며, 전지의 사이클이 일찍 퇴화되는 현상을 방지할 수 있다.
이때 첨가제는 다공성 코팅층 내에 형성된 무기물 입자들 사이, 무기물 입자들과 흡열물질들 사이, 및 흡열물질들 사이의 빈 공간에 존재할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 세퍼레이터의 제조방법을 아래에 예시하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바인더를 용매에 용해시켜 바인더 용액을 제조한다. 용매로는 사용하고자 하는 바인더와 용해도 지수가 유사하며, 끓는점(boiling point)이 낮은 것이 사용될 수 있다. 이는 혼합이 균일하게 이루어질 수 있으며, 이후 용매를 용이하게 제거할 수 있기 때문이다. 용매의 비제한적인 예로는 아세톤 (acetone), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름 (chloroform), 디메틸포름아미드 (dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산 (cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다.
이어서, 준비한 바인더 용액에 무기물 입자, 흡열물질 및 선택적으로 기타 첨가제를 첨가하여 무기물 입자, 흡열물질 등이 분산된 코팅액을 제조한다.
이때, 바인더 용액에 무기물 입자와 흡열물질을 첨가한 후, 무기물 입자와 흡열물질의 파쇄를 실시할 수 있다. 파쇄 시간은 1 내지 20 시간이 적절하며, 파쇄된 무기물 입자와 흡열물질의 입경은 각각 0.01 내지 10 ㎛일 수 있다. 파쇄 방법으로는 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 특히 볼밀(ball mill)법이 사용될 수 있다.
한편, 무기물 입자들 사이에 흡열물질이 균일하게 분산되어 배치되는 것이 흡열효율을 증가시킬 수 있기 때문에 바인더 용액 내에서 이들을 균일하게 분산할 필요가 있다. 이러한 바인더 용액 내에 분산이 잘 되도록 커플링제를 이용하여 코팅된 경우에는 무기물 입자와 흡열물질을 바인더 용액 내에서 단순히 혼합하는 공정에 의해서 코팅액이 제조될 수 있다.
그런 다음, 무기물 입자, 흡열물질과 기타 첨가제가 분산된 코팅액을 다공성 기재의 적어도 일면에 적용하여 다공성 코팅층을 형성한다.
상기 코팅액을 다공성 기재상에 코팅하는 방법은 당 업계에 알려진 통상적인 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면 딥(Dip) 코팅, 다이(Die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 콤마(comma) 코팅 또는 이들의 혼합 방식 등 다양한 방식을 이용할 수 있다. 또한, 다공성 코팅층은 다공성 기재의 양면 모두 또는 일면에만 선택적으로 형성할 수 있다.
코팅액에 용매가 첨가된 경우 추가적으로 코팅층의 건조과정이 필요함은 물론이다. 건조 조건은 사용된 용매의 증기압을 고려한 온도 범위에서 오븐 또는 가열식 챔버를 사용하여 배치식 또는 연속식으로 가능하다.
또한, 무기물 입자와 기타 첨가제가 분산된 코팅액을 다공성 기재의 적어도 일면에 적용하여 무기물 입자 코팅층을 형성하고, 이후에 흡열물질이 분산된 코팅액을 상기 무기물 입자 코팅층의 상면에 적용하여 흡열물질 코팅층을 부가하여, 최종적으로 다공성 코팅층을 형성할 수 있다.
더불어, 다공성 코팅층에 도입할 흡열물질의 전체 함량중 일부는 무기물 입자와 함께 무기물 입자 코팅층을 형성하는데 적용하고, 나머지는 이렇게 형성된 무기물 입자 코팅층의 상면에 흡열물질로만 이루어진 코팅층을 더 부가하여, 다공성 코팅층을 형성할 수도 있다.
이와 같이 제조된 본 발명의 일 측면에 따른 세퍼레이터는 전기화학소자의 세퍼레이터, 즉, 캐소드와 애노드 사이에 개재시킨 세퍼레이터로서 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기화학소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 1차, 이차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 수퍼 캐패시터 소자와 같은 캐패시터(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 포함될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 세퍼레이터와 함께 적용될 전극으로는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. 상기 전극활물질 중 캐소드활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 캐소드에 사용될 수 있는 통상적인 캐소드활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용할 수 있다. 애노드활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 애노드에 사용될 수 있는 통상적인 애노드활물질이 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 사용 가능하다. 캐소드 전류집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 애노드 전류집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기화학소자에서 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 (g-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 측면에 따른 세퍼레이터를 전지로 적용하는 공정으로는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 세퍼레이터와 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예) EV자동차용, 36Ah의 폴리머 셀
실시예 1. 세퍼레이터의 제조
PVdF-CTFE (폴리비닐리덴플로라이드-클로로트리플로로에틸렌 공중합체) 5 중량부를 아세톤 95 중량부에 첨가하여 50℃에서 약 12시간 이상 용해시켜 바인더 용액 5 중량부를 준비하였다. 제조된 바인더 용액에 Al2O3 분말과 BaTiO3 분말을 9:1의 중량비로 고분자/무기물 분말 = 20/80의 중량비가 되도록 첨가하고, 12시간 이상 볼 밀법을 이용하여 무기물 분말을 300nm의 크기로 파쇄 및 분산하여 예비 슬러리를 제조하였다. 여기에 앞서 얻어진 고분자/무기물 분말의 총합 100 중량부에 대해 흡열물질로 알루미나 화합물을 4 중량부로 넣고 다시 분산시켜서 최종 슬러리를 제조하였다.
이와 같이 제조된 슬러리를 딥(dip) 코팅법으로, 두께 20㎛인 폴리에틸렌 다공성 막(기공도 40%)에 코팅하였다. 코팅 두께는 약 4 ㎛ 정도로 조절하였다.
실시예 2. 전기화학소자(리튬 이차전지)의 제조
(1) 캐소드의 제조
캐소드 활물질 입자로 리튬 코발트 복합산화물 90 중량부, 도전재로 카본 블랙 (carbon black) 5 중량부, 결합제로 PVDF 5 중량부를 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(NMP) 40 중량부에 첨가하여 캐소드 활물질 슬러리를 준비하였다. 상기 캐소드 활물질 슬러리를 두께가 100 ㎛인 캐소드 집전체의 알루미늄(Al) 박막에 도포, 건조하여 캐소드를 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하였다.
(2) 애노드의 제조
애노드 활물질로 탄소 분말, 결합재로 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 도전재로 카본 블랙 (carbon black)을 각각 95 중량부, 2 중량부, 3 중량부로 하여, 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(NMP) 100 중량부에 첨가하여 애노드 활물질 슬러리를 준비하였다. 상기 애노드 활물질 슬러리를 두께가 90㎛인 애노드 집전체인 구리(Cu) 박막에 도포, 건조를 통하여 애노드를 제조한 후 롤 프레스(roll press)를 실시하였다.
(3) 리튬 이차전지의 제조
전술한 방법으로 제조한 캐소드, 애노드 및 세퍼레이터를 스태킹 방식을 이용하여 단위 셀들을 조립하였다. 그런 다음, 전해액 (에틸렌카보네이트(EC)/프로필렌카보네이트(PC)/디에틸카보네이트(DEC) = 3/2/5 (부피비), 리튬헥사플로로포스페이트 (LiPF6) 1몰)을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다.
비교예 1-1. 세퍼레이터의 제조
흡열물질을 사용하지 않은 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 세퍼레이터를 제조하였다.
비교예 1-2. 세퍼레이터의 제조
무기물 입자인 Al2O3 분말과 BaTiO3 분말을 사용하지 않은 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 세퍼레이터를 제조하였다.
비교예 2-1. 전기화학소자(리튬 이차전지)의 제조
비교예 1-1에서 제조된 세퍼레이터를 사용한 점을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
비교예 2-2. 전기화학소자(리튬 이차전지)의 제조
비교예 1-2에서 제조된 세퍼레이터를 사용한 점을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제조하였다.
핫박스(Hot Box) 실험
실시예 2와 비교예 2의 리튬 이차전지를 160℃ 온도에서 1시간 동안 방치하여 전지의 상태를 평가하였다.
실험 결과, 기존의 결과는 비교예 2에서는 1시간 후 폭발하였으나, 실시예에서는 폭발이 없었다.
과충전 실험
실시예 2와 비교예 2의 전지들을 4.5V/36Ah (1C), 5V/36Ah (1C) 및 5V/72Ah (2C)의 조건으로 충전하였으며, 이후 전지의 상태를 평가하였다.
실험 결과, 실험 결과, 기존의 결과는 비교예 2에서는 5V/72Ah에서 폭발하였으나, 실시예서는 폭발이 없었다.

Claims (14)

  1. 다수의 기공을 갖는 다공성 기재; 및
    상기 다공성 기재의 적어도 일면의 영역, 또는 상기 다공성 기재의 적어도 일면과 상기 다공성 기재의 기공의 영역에 형성되어 있으며, 다수의 무기물 입자, 흡열물질 및 상기 무기물 입자와 흡열물질을 연결 및 고정시키는 바인더를 포함하는 다공성 코팅층을 구비하고,
    상기 흡열물질이 바인더에 의해 연결 및 고정된 무기물 입자들에 의해 형성된 코팅층의 상면 영역에 위치하며, 상기 흡열물질이 알루미나, 알루미늄 과산화물 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡열물질의 함량이 무기물 입자 및 바인더의 총합 100 중량부에 대하여 5 내지 95 중량부인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 코팅층이 흡수제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 기재가 폴리올레핀계 다공성 막 또는 부직포인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 기재가 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로(polyphenylenesulfidro) 및 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무기물 입자가 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자가 BaTiO3, Pb(Zrx,Ti1-x)O3 (PZT, 0<x<1), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT, 0<x<1, 0<y<1), (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT, 0<x<1), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, SiC 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자가 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 글래스(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 글래스 및 P2S5 (LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 계열 글래스로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 바인더가 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 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 무기물 입자와 바인더의 중량비가 50:50 내지 99:1인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  13. 캐소드, 애노드, 상기 캐소드 및 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전기화학소자에 있어서, 상기 세퍼레이터가 제1항, 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항의 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전기화학소자가 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
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