KR101915328B1 - Nanocomposite membrane for separator of lithium secondary battery and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막에, 재침전법에 의하여 얻어진 상기 부직포와 동일한 소재의 나노입자 코팅층을 형성하고, 이를 열처리함으로써 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막을 제조하여 리튬이차전지의 세퍼레이터에 응용하는 것이다.
본 발명에 따라 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 나노입자 코팅층을 포함하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막은 열적, 기계적, 화학적 특성이 뛰어날 뿐만 아니라, 다공성이 높고 전해액에 대한 젖음성이 우수하며, 고온이나 고압에서도 안정성이 향상되어 다양한 전기화학 소자에 바람직하게 응용할 수 있다.
The present invention relates to a process for producing a thermally-converting poly (benzoxazole-imide) nanocomposite film by forming a nanoparticle coating layer of the same material as the nonwoven fabric obtained by the reprecipitation method on a hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven film, And is applied to a separator of a lithium secondary battery.
The nanocomposite membrane for a lithium secondary battery separator comprising the heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer nanoparticle coating layer produced according to the present invention is excellent in thermal, mechanical and chemical properties and has a high porosity, It has excellent wettability and can be suitably applied to various electrochemical devices due to improved stability at high temperature and high pressure.

Description

리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막 및 그 제조방법{Nanocomposite membrane for separator of lithium secondary battery and preparation method thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nanocomposite membrane separator for lithium secondary battery separator,

본 발명은 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막에, 재침전법에 의하여 얻어진 상기 부직포와 동일한 소재의 나노입자 코팅층을 형성하고, 이를 열처리함으로써 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막을 제조하여 리튬이차전지의 세퍼레이터에 응용하는 것이다.The present invention relates to a nanocomposite membrane for a lithium secondary battery separator and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nanocomposite membrane having the same material as the nonwoven fabric obtained by the reprecipitation method on a polyimide copolymer non- (Benzoxazole-imide) nanocomposite membrane by heat-treating it and applying it to a separator of a lithium secondary battery.

최근 에너지 저장기술에 대한 관심이 높아지면서 휴대용 멀티미디어 재생기, 노트북 컴퓨터, 휴대 전화, 캠코더 등의 휴대용 기기에 포함되는 소형 전력 모듈 장치나 하이브리드 전기 자동차, 전기 자전거와 같은 중대형 전원을 필요로 하는 대형 전력 모듈 장치에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서 리튬 이온의 삽입/탈리가 가능한 물질을 음극 및 양극으로 사용하고, 두 전극 사이에 세퍼레이터로서 다공성 분리막을 설치한 후 전해액을 주입시켜 제조되는 리튬이차전지는 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 크다는 장점 때문에 각광받고 있다.Recently, as the interest in energy storage technology has increased, a large power module device including a small power module device included in portable devices such as a portable multimedia player, a notebook computer, a mobile phone, and a camcorder, a large power module requiring a medium and large power source such as a hybrid electric vehicle, Research on devices has been actively conducted. Among them, a lithium ion secondary battery manufactured by using a material capable of intercalating / deintercalating lithium ions as a cathode and an anode, providing a porous separator as a separator between two electrodes, and injecting an electrolyte, has advantages of high operating voltage and high energy density It is in the spotlight.

특히, 이러한 리튬이차전지의 세퍼레이터는 양극과 음극의 전기적인 단락을 막고 다공성의 기공으로 인하여 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있어야 하며 리튬이온 외의 입자들을 통과시키지 않는 특성을 가져야 한다. 또한 전해액에 대한 젖음성 및 전해액과의 상용성이 좋아야 한다. 현재 상용화되고 있는 세퍼레이터의 소재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 고분자가 주류를 이루고 있는데, 폴리올레핀계 세퍼레이터는 간단한 제조공정으로 마이크로 크기의 다공성 기공을 갖는 반면, 온도가 150 ℃ 이상 가해질 경우에는 멜트다운 현상이 발생하여 내부의 단락을 일으키는 원인이 된다.Particularly, the separator of the lithium secondary battery should have the property that the separator of the lithium secondary battery should prevent electric short circuit between the positive electrode and the negative electrode, allow the lithium ions to freely move due to the porous pores, and not pass the particles other than lithium ions. In addition, the wettability to the electrolyte and the compatibility with the electrolytic solution should be good. A polyolefin-based polymer such as polyethylene or polypropylene is mainly used as a material of a separator that is currently in commercial use. A polyolefin-based separator has micro-sized porous pores in a simple manufacturing process. On the other hand, Which may cause internal short circuit.

따라서 세퍼레이터의 열적 안정성 및 기계적 특성을 향상시키기 위하여 폴리올레핀계 고분자와 같은 통상의 다공성 고분자 기재에 세라믹 입자 코팅을 하는 기술들이 개발되고 있으나, 세라믹 입자의 다공성이 낮고 접착제를 사용하여야 하는 단점이 있다(특허문헌 1, 2).Therefore, in order to improve the thermal stability and mechanical properties of the separator, techniques for coating ceramic particles on a conventional porous polymer substrate such as a polyolefin-based polymer have been developed, but the porosity of the ceramic particles is low and an adhesive is used Documents 1 and 2).

한편, 열적, 기계적, 화학적 특성이 우수한 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈이미다졸 또는 폴리벤즈티아졸 등 강성의 유리상 전방향족 유기고분자들을 분리막으로 응용하고자 하는 시도가 있었는데, 이 유기고분자들은 대부분 일반적인 유기용매에 난용성이어서 간단하고 실용적인 용매 캐스팅법에 의하여 막을 제조하는데 어려움이 있었기 때문에, 오르쏘 위치에 히드록시기를 갖는 폴리이미드와 폴리(스티렌 술폰산)의 블렌드 막을 300 내지 650 ℃에서 열전환하여 폴리벤즈옥사졸 막을 제조한바 있으나, 궁극적으로 폴리벤즈옥사졸 막을 제조하기 위한 전구체라 할 수 있는 히드록시기 함유 폴리이미드의 이미드화 방법에 대해서는 구체적으로 개시된 바 없고, 제조된 분리막도 기체분리용에 한정되는 것이었다(특허문헌 3).On the other hand, attempts have been made to apply rigid glassy wholly aromatic organic polymers such as polybenzoxazole, polybenzimidazole, or polybenzthiazole, which have excellent thermal, mechanical and chemical properties, as a separator. These organic polymers are mostly organic solvents It is difficult to produce a film by a simple and practical solvent casting method. Therefore, a blend film of a polyimide and a poly (styrenesulfonic acid) having a hydroxyl group at orthosilox sites is thermally converted at 300 to 650 DEG C to form a polybenzoxazole A method of imidizing a hydroxy group-containing polyimide that can be a precursor for producing a polybenzoxazole film ultimately has not been specifically disclosed, and the prepared separation membrane is also limited to gas separation 3).

또한, 오르쏘 위치에 히드록시기를 갖는 폴리이미드를 열전환하는 방법으로 폴리벤즈옥사졸 막을 제조함으로써 용매 캐스팅법에 의하여 제조되는 종래 폴리벤즈옥사졸 막에 비하여 이산화탄소의 투과도가 10 배 내지 100 배 더 높은 결과가 보고된 바도 있다(비특허문헌 1).Further, the polybenzimidazole membrane is prepared by thermal conversion of a polyimide having a hydroxy group at an ortho position, so that the permeability of carbon dioxide is 10 to 100 times higher than that of a conventional polybenzoxazole membrane produced by the solvent casting method The results have been reported (Non-Patent Document 1).

그러나 상기 선행기술문헌들에 기재된 폴리벤즈옥사졸 막 또는 열전환 폴리벤즈옥사졸 막들은 모두 기체분리용에 한정된 것들이고, 리튬이차전지의 세퍼레이터에 적용될 수 있다거나 그 성능에 관하여서는 위 문헌 또는 관련 기술문헌 등에 개시되거나 암시된 바 없다.However, the polybenzoxazole membranes or the heat-converted polybenzoxazole membranes described in the above prior art documents are all limited to gas separation and can be applied to the separator of a lithium secondary battery, It is not disclosed or implied in technical literatures.

따라서 본 발명자들은, 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 막은 열적, 기계적, 화학적 특성이 우수하고, 다공성 분리막으로 제조가 가능하여 리튬이차전지의 세퍼레이터에 적용될 수 있는 점에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Accordingly, the inventors of the present invention have found that a thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer film is excellent in thermal, mechanical, and chemical properties and can be manufactured as a porous separator, and thus can be applied to a separator of a lithium secondary battery. And has reached the completion of the invention.

특허문헌 1 한국공개특허공보 제10-2013-0093977호Patent Document 1 Korean Patent Laid-Open No. 10-2013-0093977 특허문헌 2 미국등록특허공보 제8,372,475호Patent Document 2 US Patent No. 8,372,475 특허문헌 3 일본공표특허공보 제2013-505822호Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-505822

비특허문헌 1 Y.M. Lee et al., Science 318, 254-258 (2007)Non-Patent Document 1 Y.M. Lee et al., Science 318, 254-258 (2007)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 열적, 기계적, 화학적 특성이 뛰어날 뿐만 아니라, 다공성이 높고 전해액에 대한 젖음성이 우수하며, 고온이나 고전압에서도 안정성이 향상된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 나노입자 코팅층을 포함하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device having excellent thermal, mechanical and chemical characteristics, high porosity, excellent wettability to an electrolyte, A nanocomposite film for a lithium secondary battery separator including a poly (benzoxazole-imide) copolymer nanoparticle coating layer, and a method of manufacturing the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막; 및 (b) 상기 부직포 막에 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 나노입자 코팅층;을 포함하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a nonwoven fabric comprising: (a) a hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven film; And (b) a heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer nanoparticle coating layer on the nonwoven fabric film.

상기 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체는 하기 <화학식 1>로 표시되는 반복단위를 갖는 것을 특징으로 한다.The heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer is characterized by having a repeating unit represented by the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

Figure 112013118236155-pat00001
Figure 112013118236155-pat00001

상기 <화학식 1>에서,In the above formula (1)

Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, and is connected to a C (CF 3) 2 or CO-NH,

Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며,Ar 2 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C ( CF 3) is connected to 2 or CO-NH,

Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이고, x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9, x+y=1이다.Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, CO- NH, C (CH 3) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, x, y is 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤ a molar fraction within each repeating unit 0.9, and x + y = 1.

상기 <화학식 1>에서 Ar1은 하기 <구조식 1>로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 한다.In the above formula (1), Ar 1 is any one selected from the following formula (1).

<구조식 1><Structure 1>

Figure 112013118236155-pat00002
Figure 112013118236155-pat00002

상기 <구조식 1>에서,In the above formula 1,

X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 CO-NH이고, W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 CO이고, Z1은 O, S, CR1R2 또는 NR3이고, 여기서 R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR4(R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기)이나 동시에 CR4는 아니다.
X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other and each independently represents O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-NH, W 1 and W 2 are the same or different and independently O, S , Or CO and Z 1 is O, S, CR 1 R 2 or NR 3 wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each independently is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms and Z 2 and Z 3 are the same or different and are each independently N or CR 4 (R 4 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms) or is not CR 4 at the same time.

상기 Ar1은 하기 <구조식 2>로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 한다.And Ar < 1 > is any one selected from the following Structural Formulas (2).

<구조식 2>&Lt; Formula 2 >

Figure 112013118236155-pat00003
Figure 112013118236155-pat00003

Figure 112013118236155-pat00004

Figure 112013118236155-pat00004

또한, 상기 <화학식 1>에서 Ar2는 하기 <구조식 3>으로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 한다.In the above formula (1), Ar 2 is any one selected from the following formula (3).

<구조식 3><Formula 3>

Figure 112013118236155-pat00005
Figure 112013118236155-pat00005

상기 <구조식 3>에서,In the above formula 3,

X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 CO-NH이고, W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 CO이고, Z1은 O, S, CR1R2 또는 NR3이고, 여기서 R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR4(R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기)이나 동시에 CR4는 아니다.
X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other and each independently represents O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-NH, W 1 and W 2 are the same or different and independently O, S , Or CO and Z 1 is O, S, CR 1 R 2 or NR 3 wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each independently is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms and Z 2 and Z 3 are the same or different and are each independently N or CR 4 (R 4 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms) or is not CR 4 at the same time.

상기 Ar2는 하기 <구조식 4>로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 한다.And Ar < 2 > is any one selected from the following Structural Formula (4).

<구조식 4><Formula 4>

Figure 112013118236155-pat00006
Figure 112013118236155-pat00006

Figure 112013118236155-pat00007
Figure 112013118236155-pat00007

Figure 112013118236155-pat00008
Figure 112013118236155-pat00008

또한, 본 발명은 상기 나노 복합막을 포함하는 리튬이차전지를 제공한다.The present invention also provides a lithium secondary battery comprising the nanocomposite film.

또한, 본 발명은 i) 산이무수물, 오르쏘-히드록시 디아민 및 방향족 디아민을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법에 의하여 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;The present invention also provides a method for preparing a polyimide precursor solution, comprising the steps of: i) reacting an acid dianhydride, ortho-hydroxydiamine and an aromatic diamine to obtain a polyamic acid solution, and then synthesizing a hydroxyl group-containing polyimide copolymer by an azeotropic thermal imidization method;

ii) 상기 i) 단계의 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체를 유기용매에 녹인 고분자용액을 전기방사 하여 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막을 얻는 단계; 및ii) electrospinning a polymer solution obtained by dissolving the hydroxy group-containing polyimide copolymer of step i) in an organic solvent to obtain a hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven film; And

iii) 상기 ii) 단계의 부직포 막에 재침전법에 따라 미리 수득한 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 나노입자를 코팅한 후, 열처리 하는 단계;를 포함하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막의 제조방법을 제공한다.and iii) coating the non-woven fabric film of the step ii) with hydroxy group-containing polyimide copolymer nano-particles previously obtained according to the reprecipitation method, followed by heat treatment, to provide a method for producing a nano composite membrane for a lithium secondary battery separator .

상기 i) 단계의 산이무수물은 하기 <화학식 2>로 표시되는 것을 특징으로 한다.The acid dianhydride in the step i) is represented by the following formula (2).

<화학식 2>(2)

Figure 112013118236155-pat00009
Figure 112013118236155-pat00009

상기 <화학식 2>에서, Ar1은 상기 <화학식 1>에서 정의한 바와 같다.In the above formula (2), Ar 1 is as defined in the above formula (1).

상기 i) 단계의 오르쏘-히드록시 디아민은 하기 <화학식 3>으로 표시되는 것을 특징으로 한다.The ortho-hydroxydiamine of the step i) is represented by the following formula (3).

<화학식 3>(3)

Figure 112013118236155-pat00010
Figure 112013118236155-pat00010

상기 <화학식 3>에서, Q는 상기 <화학식 1>에서 정의한 바와 같다.In the above formula (3), Q is as defined in the above formula (1).

상기 i) 단계의 방향족 디아민은 하기 <화학식 4>로 표시되는 것을 특징으로 한다.The aromatic diamine in the step i) is represented by the following formula (4).

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure 112013118236155-pat00011
Figure 112013118236155-pat00011

상기 <화학식 4>에서, Ar2는 상기 <화학식 1>에서 정의한 바와 같다.In the formula 4, Ar 2 is the same as defined in the formula 1.

상기 i) 단계의 공비 열 이미드화법은 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 180 내지 200 ℃에서 6 내지 12시간 동안 이미드화 반응을 수행하는 것을 특징으로 한다.In the azeotropic thermal imidization of step i), toluene or xylene is added to the polyamic acid solution, and the mixture is stirred to perform imidization reaction at 180 to 200 ° C for 6 to 12 hours.

상기 재침전법은 2 내지 5 중량%의 폴리비닐피롤리돈(PVP) 또는 폴리비닐알코올(PVA)을 안정제로 사용하는 것을 특징으로 한다.The reprecipitation method is characterized by using 2 to 5% by weight of polyvinylpyrrolidone (PVP) or polyvinyl alcohol (PVA) as a stabilizer.

상기 iii) 단계의 코팅은 스프레이법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 한다.The coating of step iii) is carried out by a spray method.

상기 iii) 단계의 열처리는 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1 내지 20 ℃/min의 승온 속도로 350 내지 450 ℃까지 승온한 후 0.1 내지 3시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 수행되는 것을 특징으로 한다.The heat treatment in step iii) is performed by raising the temperature to 350 to 450 DEG C at a rate of 1 to 20 DEG C / min in an inert gas atmosphere of high purity, and then maintaining an isothermal state for 0.1 to 3 hours.

본 발명에 따라 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 나노입자 코팅층을 포함하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막은 열적, 기계적, 화학적 특성이 뛰어날 뿐만 아니라, 다공성이 높고 전해액에 대한 젖음성이 우수하며, 고온이나 고전압에서도 안정성이 향상되어 다양한 전기화학 소자에 바람직하게 응용할 수 있다.The nanocomposite membrane for a lithium secondary battery separator comprising the heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer nanoparticle coating layer produced according to the present invention is excellent in thermal, mechanical and chemical properties and has a high porosity, It is excellent in wettability and can be suitably applied to various electrochemical devices due to improved stability at high temperature and high voltage.

도 1은 실시예 1 내지 9에 따라 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막의 ATR-IR 스펙트럼.
도 2는 실시예 8에 따른 코팅층이 형성되기 전의 막 표면(a)과 코팅한 후 열처리한 나노 복합막 표면(b)의 주사전자현미경(SEM) 사진.
도 3은 실시예 8에 따른 ODPA-HAB5-ODA5 공중합체 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 사진(a)과 이를 부직포 막에 코팅한 후 열처리한 나노 복합막의 주사전자현미경(SEM) 사진(b).
도 4는 실시예 17에 따른 ODPA-HAB5-ODA5 공중합체 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 사진(a)과 이를 부직포 막에 코팅한 후 열처리한 나노 복합막의 주사전자현미경(SEM) 사진(b).
도 5는 실시예 1에 따른 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막의 열전환 과정에서 열중량 감소 특성을 나타낸 열중량분석-질량분석(TG-MS) 그래프.
도 6은 실시예 8과 실시예 17에 의하여 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막 및 상용화된 분리막(Celgard 2400)을 사용한 리튬이차전지의 1C에서 사이클 특성(30 ℃)을 측정한 결과.
도 7은 실시예 8과 실시예 17에 의하여 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막 및 상용화된 분리막(Celgard 2400)을 사용한 리튬이차전지의 1C에서 사이클 특성(55 ℃)을 측정한 결과.
도 8은 실시예 8과 실시예 17에 의하여 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막 및 상용화된 분리막(Celgard 2400)을 사용한 리튬이차전지의 첫 충방전 사이클의 전기화학적 임피던스 분석(EIS) 결과.
도 9는 실시예 8과 실시예 17에 의하여 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막 및 상용화된 분리막(Celgard 2400)을 사용한 리튬이차전지의 10 사이클 충방전 후 전기화학적 임피던스 분석(EIS) 결과.
1 is an ATR-IR spectrum of a thermally-converting poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane prepared according to Examples 1-9.
FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface (a) of the nanocomposite membrane coated with the film surface (a) before the coating layer according to Example 8 is formed and then heat-treated.
FIG. 3 is a graph showing the results of ODPA-HAB 5 -ODA 5 (A) and (b) scanning electron microscopy (SEM) photographs of the nanocomposite membranes coated with the nonwoven fabric after heat treatment.
FIG. 4 is a graph showing the results of ODPA-HAB 5 -ODA 5 (A) and (b) scanning electron microscopy (SEM) photographs of the nanocomposite membranes coated with the nonwoven fabric after heat treatment.
FIG. 5 is a thermogravimetric-mass spectrometry (TG-MS) graph showing the thermogravimetric reduction characteristics of the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane according to Example 1 during thermal conversion.
6 is a graph showing the cycle characteristics (30 DEG C) at 1C of a lithium secondary battery using the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane produced according to Example 8 and Example 17 and the commercialized separator (Celgard 2400) .
7 shows the cycle characteristics (55 ° C) at 1 C of the lithium secondary battery using the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane produced according to Example 8 and Example 17 and the commercialized separator (Celgard 2400) .
8 is a graph showing the relationship between the electrochemical impedance of the first charge-discharge cycle of a lithium secondary battery using the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) nanocomposite film prepared according to Example 8 and Example 17 and the commercialized separator (Celgard 2400) Analysis (EIS) results.
9 is a graph showing the relationship between the electrochemical impedance after charging and discharging for 10 cycles of the lithium secondary battery using the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane produced according to Example 8 and Example 17 and the commercialized separator (Celgard 2400) Analysis (EIS) results.

본 발명은, (a) 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막; 및 (b) 상기 부직포 막에 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 나노입자 코팅층;을 포함하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막을 제공한다.The present invention relates to (a) a hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven film; And (b) a heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer nanoparticle coating layer on the nonwoven fabric film.

본 발명의 목적물인 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막은 열적, 기계적, 화학적 특성이 우수한 폴리벤즈옥사졸 그룹을 도입하기 위하여 지지체 또는 기재로서 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막을 사용한다. 그리고 상기 부직포 막에 부직포 막과 동일한 소재를 코팅한 후, 열처리함으로써 히드록시기 함유 폴리이미드가 폴리벤즈옥사졸로 그 구조가 전환되어 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 나노입자 코팅층을 형성하게 되므로, 상기 부직포 막과 나노입자 코팅층이 서로 완벽하게 연결된 나노 복합막을 얻는다. 특히, 코팅을 위하여 부직포 막과 동일한 소재를 사용함에 따라 고분자 입자를 바인더 없이 코팅하여 고정시킬 수 있으므로 비용이 절감되는 부수적인 효과를 거둘 수도 있다.The nano composite membrane for a lithium secondary battery separator, which is the object of the present invention, uses a hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven film as a support or substrate for introducing a polybenzoxazole group having excellent thermal, mechanical and chemical properties. Then, the same material as that of the nonwoven fabric layer is coated on the nonwoven fabric layer, and the resultant structure is heat-treated to change the structure of the polyoxyethylene group-containing polyimide to polybenzoxazole to form a heat conversion poly (benzoxazole-imide) copolymer nanoparticle coating layer Thus, a nanocomposite membrane in which the nonwoven fabric layer and the nanoparticle coating layer are completely connected to each other is obtained. In particular, since the same material as the nonwoven fabric film is used for the coating, the polymer particles can be coated and fixed without a binder, so that the cost can be reduced.

본 발명에 따른 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체는 하기 <화학식 1>로 표시되는 반복단위를 갖는다.The heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer according to the present invention has a repeating unit represented by the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

Figure 112013118236155-pat00012
Figure 112013118236155-pat00012

상기 <화학식 1>에서,In the above formula (1)

Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, and is connected to a C (CF 3) 2 or CO-NH,

Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며,Ar 2 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C ( CF 3) is connected to 2 or CO-NH,

Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이고, x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9, x+y=1이다.Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, CO- NH, C (CH 3) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, x, y is 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤ a molar fraction within each repeating unit 0.9, and x + y = 1.

상기 <화학식 1>에서 Ar1은 하기 <구조식 1>로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것일 수 있다.In the above formula (1), Ar 1 may be any one selected from the following formula (1).

<구조식 1><Structure 1>

Figure 112013118236155-pat00013
Figure 112013118236155-pat00013

상기 <구조식 1>에서,In the above formula 1,

X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 CO-NH이고, W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 CO이고, Z1은 O, S, CR1R2 또는 NR3이고, 여기서 R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR4(R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기)이나 동시에 CR4는 아니다.X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other and each independently represents O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-NH, W 1 and W 2 are the same or different and independently O, S , Or CO and Z 1 is O, S, CR 1 R 2 or NR 3 wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each independently is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms and Z 2 and Z 3 are the same or different and are each independently N or CR 4 (R 4 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms) or is not CR 4 at the same time.

또한, 상기 Ar1의 구체적인 예로는 하기 <구조식 2>로 표시되는 것을 바람직하게 들 수 있다.Specific examples of the above-mentioned Ar 1 include those represented by the following structural formula (2).

<구조식 2>&Lt; Formula 2 >

Figure 112013118236155-pat00014
Figure 112013118236155-pat00014

Figure 112013118236155-pat00015

Figure 112013118236155-pat00015

또한, 상기 <화학식 1>에서 Ar2는 하기 <구조식 3>으로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것일 수 있다.In the above formula (1), Ar 2 may be any one selected from the following formula (3).

<구조식 3><Formula 3>

Figure 112013118236155-pat00016
Figure 112013118236155-pat00016

상기 <구조식 3>에서,In the above formula 3,

X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 CO-NH이고, W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 CO이고, Z1은 O, S, CR1R2 또는 NR3이고, 여기서 R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR4(R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기)이나 동시에 CR4는 아니다.X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other and each independently represents O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-NH, W 1 and W 2 are the same or different and independently O, S , Or CO and Z 1 is O, S, CR 1 R 2 or NR 3 wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each independently is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms and Z 2 and Z 3 are the same or different and are each independently N or CR 4 (R 4 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms) or is not CR 4 at the same time.

또한, 상기 Ar2의 구체적인 예로는 하기 <구조식 4>로 표시되는 것을 바람직하게 들 수 있다.Specific examples of the above-mentioned Ar 2 include those represented by the following structural formula (4).

<구조식 4><Formula 4>

Figure 112013118236155-pat00017
Figure 112013118236155-pat00017

Figure 112013118236155-pat00018
Figure 112013118236155-pat00018

Figure 112013118236155-pat00019
Figure 112013118236155-pat00019

본 발명에 따른 나노 복합막은 상기 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 구조가 도입됨으로써 특유의 열적 안정성으로 인하여 고온이나 고전압에서의 안정성이 향상되어 전기화학적 특성이 개선되므로 다양한 전기화학 소자에 응용할 수 있다.Since the nanocomposite membrane according to the present invention has improved thermal stability and stability at high temperature and high voltage due to the introduction of the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) copolymer structure, the electrochemical characteristics are improved, .

상기 <화학식 1>로 표시되는 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체의 구조는, 산이무수물과 디아민을 반응시켜 얻은 폴리아믹산을 이미드화 시킴으로써 제조되는 폴리이미드의 합성을 기본으로 한다. 또한, 열전환 폴리벤즈옥사졸은 방향족 이미드 연결고리의 오르쏘-위치에 있는 히드록시기와 같은 작용기가 이미드 고리의 카르보닐기를 공격하여 카르복시-벤즈옥사졸 구조의 중간체를 형성한 후, 이어지는 열처리에 의하여 탈카르복시화(decarboxylation)함으로써 합성되는 것인바, 본 발명에서는 하기와 같은 단계를 포함하여 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막을 제조한다.The structure of the poly (benzoxazole-imide) copolymer represented by the formula (1) is based on the synthesis of a polyimide prepared by imidizing a polyamic acid obtained by reacting an acid dianhydride with a diamine. In addition, the thermally-modified polybenzoxazole can be prepared by a method in which a functional group such as a hydroxyl group in the ortho-position of the aromatic imido linkage attacks an imine ring carbonyl group to form an intermediate of the carboxy- benzoxazole structure, In the present invention, a nanocomposite membrane for a lithium secondary battery separator is prepared including the following steps.

즉, 본 발명에서는 i) 산이무수물, 오르쏘-히드록시 디아민 및 방향족 디아민을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법에 의하여 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;That is, in the present invention, i) a step of synthesizing a hydroxy group-containing polyimide copolymer by an azeotropic thermal imidization method after reacting an acid anhydride, ortho-hydroxydiamine and an aromatic diamine to obtain a polyamic acid solution;

ii) 상기 i) 단계의 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체를 유기용매에 녹인 고분자용액을 전기방사 하여 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막을 얻는 단계; 및ii) electrospinning a polymer solution obtained by dissolving the hydroxy group-containing polyimide copolymer of step i) in an organic solvent to obtain a hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven film; And

iii) 상기 ii) 단계의 부직포 막에 재침전법에 따라 미리 수득한 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 나노입자를 코팅한 후, 열처리 하는 단계;를 포함하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막의 제조방법을 제공한다.and iii) coating the non-woven fabric film of the step ii) with hydroxy group-containing polyimide copolymer nano-particles previously obtained according to the reprecipitation method, followed by heat treatment, to provide a method for producing a nano composite membrane for a lithium secondary battery separator .

통상 폴리이미드를 합성하기 위해서는 먼저 산이무수물과 디아민을 반응시켜 폴리아믹산을 얻어야 하는바, 본 발명에서도 산이무수물로서 하기 <화학식 2>로 표시되는 화합물을 사용한다.In order to synthesize a polyimide, a polyamic acid must first be obtained by reacting an acid dianhydride with a diamine. In the present invention, a compound represented by the following formula (2) is used as an acid anhydride.

<화학식 2>(2)

Figure 112013118236155-pat00020
Figure 112013118236155-pat00020

상기 <화학식 2>에서, Ar1은 상기 <화학식 1>에서 정의한 바와 같다.In the above formula (2), Ar 1 is as defined in the above formula (1).

폴리이미드를 합성하기 위한 단량체로서 산이무수물은 상기 <화학식 2>에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 합성되는 폴리이미드의 열적, 화학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 점을 고려하여 불소기를 갖고 있는 4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴프탈산이무수물(6FDA), 또는 4,4'-옥시디프탈산이무수물(ODPA)을 사용하는 것이 바람직하다.As the monomers for synthesizing the polyimide, any of the acid dianhydrides may be used as long as they are as defined in the above formula (2). However, considering that the thermal and chemical properties of the polyimide to be synthesized can be further improved, fluorine Hexafluoroisopropylidenephthalic acid dianhydride (6FDA), or 4,4'-oxydiphthalic acid dianhydride (ODPA) having a group represented by the following formula

또한, 본 발명에서는 궁극적으로 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 구조를 갖는 것이므로, 오르쏘-히드록시 폴리이미드를 열전환하여 폴리벤즈옥사졸 단위를 도입할 수 있음에 착안하여 오르쏘-히드록시 폴리이미드를 합성하고자 오르쏘-히드록시 디아민으로서는 하기 <화학식 3>으로 표시되는 화합물을 사용한다.In addition, since the present invention ultimately has a poly (benzoxazole-imide) copolymer structure, attention has been paid to the fact that polybenzoxazole units can be introduced by thermal conversion of ortho-hydroxypolyimide, As the ortho-hydroxy diamine, a compound represented by the following formula (3) is used to synthesize the hydroxy polyimide.

<화학식 3>(3)

Figure 112013118236155-pat00021
Figure 112013118236155-pat00021

상기 <화학식 3>에서, Q는 상기 <화학식 1>에서 정의한 바와 같다.In the above formula (3), Q is as defined in the above formula (1).

오르쏘-히드록시 디아민으로서는 상기 <화학식 3>에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 합성되는 폴리이미드의 열적, 화학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 점을 고려하여 불소기를 갖고 있는 2,2-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판(APAF), 또는 3,3'-디아미노-4,4'-디히드록시바이페닐(HAB)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.As the ortho-hydroxydiamine, there can be used any of those as defined in the above formula (3). However, considering that the thermal and chemical properties of the polyimide to be synthesized can be further improved, (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (APAF) or 3,3'-diamino-4,4'-dihydroxybiphenyl (HAB) desirable.

또한, 본 발명에서는 공단량체로서 하기 <화학식 4>로 표시되는 방향족 디아민을 사용하여 상기 <화학식 2>의 산이무수물 및 <화학식 3>의 오르쏘-히드록시 디아민과 함께 반응시킴으로써 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체를 합성할 수 있다.In the present invention, an aromatic diamine represented by the following formula (4) is used as a comonomer to react with an acid anhydride of the formula (2) and an ortho-hydroxy diamine of the formula (3) The coalescence can be synthesized.

<화학식 4>&Lt; Formula 4 >

Figure 112013118236155-pat00022
Figure 112013118236155-pat00022

상기 <화학식 4>에서, Ar2는 상기 <화학식 1>에서 정의한 바와 같다.In the formula 4, Ar 2 is the same as defined in the formula 1.

방향족 디아민으로서는 상기 <화학식 4>에서 정의한 바와 같은 것이라면 어느 것이든지 제한 없이 사용할 수 있으나, 4,4'-옥시디아닐린(ODA) 또는 2,4,6-트리메틸페닐렌디아민(DAM)을 더욱 바람직하게 사용할 수 있다.The aromatic diamine may be any of those as defined in the above formula (4), but it is preferable to use 4,4'-oxydianiline (ODA) or 2,4,6-trimethylphenylenediamine (DAM) Can be used.

즉, 상기 i) 단계에서는 <화학식 2>의 산이무수물, <화학식 3>의 오르쏘-히드록시 다아민 및 <화학식 4>의 방향족 디아민을 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 유기용매에 용해 및 교반하여 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법(azeotropic thermal imidization)에 의하여 하기 <일반식 1>로 표시되는 히드록시기 함유 폴리이미드-폴리이미드 공중합체를 합성한다.That is, in step i), an acid dianhydride of formula 2, an ortho-hydroxydearmin of formula 3 and an aromatic diamine of formula 4 are dissolved in an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) After dissolving and stirring to obtain a polyamic acid solution, a hydroxy group-containing polyimide-polyimide copolymer represented by the following general formula (1) is synthesized by azeotropic thermal imidization.

<일반식 1>&Lt; General Formula 1 &

Figure 112013118236155-pat00023
Figure 112013118236155-pat00023

상기 <일반식 1>에서 Ar1, Ar2, Q, x 및 y는 상기 <화학식 1>에서 정의된 바와 같다.Ar 1 , Ar 2 , Q, x and y in the general formula (1) are the same as defined in the general formula (1).

이때, 공비 열 이미드화법은 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 180 내지 200 ℃에서 6 내지 12시간 동안 이미드화 반응을 수행하게 되는데, 이 동안에 이미드 고리가 생성되면서 방출된 물은 톨루엔 또는 자일렌의 공비혼합물로서 분리된다.At this time, in the azeotropic thermal imidization method, toluene or xylene is added to the polyamic acid solution and the mixture is stirred to perform imidization reaction at 180 to 200 ° C for 6 to 12 hours. During this period, Is separated as an azeotropic mixture of toluene or xylene.

다음으로, <일반식 1>로 표시되는 상기 i) 단계의 히드록시기 함유 폴리이미드공중합체를 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 유기용매에 녹인 고분자용액을 전기방사 하여 제막함으로써 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막을 얻는다.Next, a polymer solution obtained by dissolving the hydroxy group-containing polyimide copolymer of the above step i) represented by the general formula (1) in an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) is electrospun to form a hydroxy group-containing polyimide To obtain a copolymer nonwoven film.

이어서, 상기 ii) 단계의 부직포 막에 재침전법에 따라 미리 수득한 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 나노입자를 코팅한 후, 열처리함으로써 지지체 또는 기재인 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막에 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 나노입자 코팅층이 형성된 나노 복합막을 제조한다. 이때, 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 나노입자는 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체를 NMP 등의 유기용매에 녹인 고분자용액에 에탄올과 같은 비용매를 적가하는 공지의 재침전법을 통하여 입자의 크기를 나노 사이즈로 제어할 수 있다. 특히, 다공성을 조절하기 위하여 고분자용액에 2 내지 5 중량%의 폴리비닐피롤리돈(PVP) 또는 폴리비닐알코올(PVA)을 안정제로 사용하면 더욱 좋고, 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 더욱 바람직하게 사용할 수 있다.Next, the hydroxy group-containing polyimide copolymer nanoparticles previously obtained according to the reprecipitation method are coated on the nonwoven fabric layer in the step ii) and then heat-treated to obtain a heat-converted polyimide copolymer Oxazole-imide) copolymer nanoparticle coating layer is formed. At this time, the hydroxy group-containing polyimide copolymer nanoparticles are prepared by controlling the particle size to nanosize through a known repulping process in which a hydroxy group-containing polyimide copolymer is dissolved in an organic solvent such as NMP, can do. Particularly, in order to control the porosity, polyvinylpyrrolidone (PVP) or polyvinyl alcohol (PVA) of 2 to 5% by weight is more preferably used as a stabilizer in the polymer solution, and polyvinylpyrrolidone (PVP) Can be used.

아울러 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막에 코팅층을 형성하기 위해서는 공지의 다양한 코팅법을 이용할 수 있으나, 코팅의 균일성 및 편의성을 고려하면 스프레이법이 더욱 바람직하다.In addition, in order to form the coating layer on the hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven fabric film, various known coating methods can be used, but the spray method is more preferable in view of the uniformity and convenience of the coating.

마지막으로, 열처리함으로써 지지체 또는 기재인 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막에 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 나노입자 코팅층이 형성된 나노 복합막을 제조한다. 열전환에 의하여 균일한 나노입자 코팅층이 완성됨과 동시에 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막과 코팅층이 서로 완벽하게 연결되는 구조를 갖는다.Finally, a nanocomposite film having a heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer nanoparticle coating layer formed on a support or a hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven film containing a substrate as a substrate is prepared. A uniform nanoparticle coating layer is completed by thermal conversion, and at the same time, the hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven film and the coating layer are completely connected to each other.

상기 열처리는 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1 내지 20 ℃/min의 승온 속도로 350 내지 450 ℃까지 승온한 후 0.1 내지 3시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 수행된다.
The heat treatment is performed by raising the temperature to 350 to 450 DEG C at a heating rate of 1 to 20 DEG C / min in an inert gas atmosphere of high purity, and then maintaining an isothermal state for 0.1 to 3 hours.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 도면과 함께 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[[ 합성예Synthetic example 1] 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체의 합성 1] Synthesis of hydroxy group-containing polyimide copolymer

2,2-비스(3-아미노-4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판(APAF) 2.0 mmol 및 4,4'-옥시디아닐린(ODA) 8.0 mmol을 무수 NMP 10 ml에 용해시켜 0 ℃로 냉각하고, 여기에 무수 NMP 10 ml에 용해시킨 4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴프탈산이무수물(6FDA) 10 mmol을 첨가하였다. 이 반응 혼합물을 0 ℃에서 15분 교반한 다음 상온으로 승온하여 밤새 방치한 후, 폴리아믹산 점성 용액을 얻었다. 이어서 폴리아믹산 용액에 오르쏘-자일렌 20 ml를 첨가한 후 강력하게 교반 및 가열하여 180 ℃에서 6시간 이미드화를 수행하였다. 이 과정에서 이미드 고리의 생성에 의해 방출된 물은 자일렌 공비혼합물로서 분리되었다. 이렇게 얻어진 갈색 용액을 상온으로 냉각, 증류수에 침적, 온수로 수회 세척 및 120 ℃의 컨벡션 오븐에서 12시간 건조하는 일련의 과정을 거쳐 하기 <화학식 5>로 표시되는 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체를 합성하였고, 이를 6FDA-APAF2-ODA8이라 명명하였다.2.0 mmol of 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane (APAF) and 8.0 mmol of 4,4'-oxydianiline (ODA) were dissolved in 10 ml of anhydrous NMP, After cooling, 10 mmol of 4,4'-hexafluoroisopropylidene phthalic anhydride (6FDA) dissolved in 10 ml of anhydrous NMP was added thereto. The reaction mixture was stirred at 0 占 폚 for 15 minutes, then allowed to warm to room temperature and allowed to stand overnight to obtain a polyamic acid viscous solution. Next, 20 ml of ortho-xylene was added to the polyamic acid solution, and the mixture was vigorously stirred and heated to perform imidization at 180 ° C for 6 hours. In this process, the water released by the formation of the imide ring was isolated as the xylene azeotropic mixture. The thus-obtained brown solution was cooled to room temperature, immersed in distilled water, washed several times with hot water, and dried in a convection oven at 120 ° C for 12 hours to synthesize a hydroxy group-containing polyimide copolymer represented by the following formula , And named it 6FDA-APAF 2 -ODA 8 .

<화학식 5>&Lt; Formula 5 >

Figure 112013118236155-pat00024
Figure 112013118236155-pat00024

상기 <화학식 5>에서 x, y는 반복단위 내 몰분율로서 x=0.2, y=0.8이다.In the above formula (5), x and y are mole fractions in the repeating unit, and x = 0.2 and y = 0.8.

상기 합성예 1로부터 <화학식 5>로 표시되는 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체가 합성되었음을 다음과 같이 1H-NMR 및 FT-IR 데이터로 확인하였다.It was confirmed by 1 H-NMR and FT-IR data that the hydroxy group-containing polyimide copolymer represented by the formula (5) was synthesized from the above Synthesis Example 1 as follows.

1H-NMR(300 MHz, DMSO-d 6 , ppm): 10.41 (s, -OH), 8.10 (d, Har, J=8.0Hz), 7.92 (d, Har, J=8.0Hz), 7.85 (s, Har), 7.80 (s, Har), 7.71 (s, Har), 7.47 (s, Har), 7.20 (d, Har, J=8.3Hz), 7.04 (d, Har, J=8.3Hz). FT-IR (film) : ν(O-H) at 3400 cm-1, ν(C=O) at 1786 and 1705 cm-1, Ar (C-C) at 1619, 1519 cm-1, imide ν(C-N) at 1377 cm-1, (C-F) at 1299-1135 cm-1, imide (C-N-C) at 1102 and 720 cm-1.
1 H-NMR (300 MHz, DMSO- d 6, ppm): 10.41 (s, -OH), 8.10 (d, H ar, J = 8.0Hz), 7.92 (d, H ar, J = 8.0Hz), 7.85 (s, H ar), 7.80 (s, H ar), 7.71 (s, H ar), 7.47 (s, H ar), 7.20 (d, H ar, J = 8.3Hz), 7.04 (d, H ar , J = 8.3 Hz). FT-IR (film): ν (OH) at 3400 cm -1 , ν (C═O) at 1786 and 1705 cm -1 , Ar (CC) at 1619, 1519 cm -1 , imide ν (CN) at 1377 cm -1 , (CF) at 1299-1135 cm -1 , imide (CNC) at 1102 and 720 cm -1 .

[[ 합성예Synthetic example 2 내지 9] 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체의 합성 2-9] Synthesis of hydroxy group-containing polyimide copolymer

합성예 1과 동일한 방법으로 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체를 합성하되, 반응물로서 아래 [표 1]에 기재된 다양한 산이무수물, 오르쏘-히드록시디아민 및 방향족 디아민을 사용하였으며, 합성된 각 샘플은 합성예 1과 같은 방식으로 명명하였다.A hydroxy group-containing polyimide copolymer was synthesized in the same manner as in Synthesis Example 1 except that various acid dianhydrides, ortho-hydroxydiamine and aromatic diamines shown in the following [Table 1] were used as reactants, 1.

합성예Synthetic example 샘플명Sample name 몰분율Mole fraction 합성예 2Synthesis Example 2 6FDA-APAF5-ODA5 6FDA-APAF 5 -ODA 5 x=0.5, y=0.5x = 0.5, y = 0.5 합성예 3Synthesis Example 3 6FDA-APAF8-ODA2 6FDA-APAF 8 -ODA 2 x=0.8, y=0.2x = 0.8, y = 0.2 합성예 4Synthesis Example 4 6FDA-APAF5-DAM5 6FDA-APAF 5 -DAM 5 x=0.5, y=0.5x = 0.5, y = 0.5 합성예 5Synthesis Example 5 6FDA-HAB5-ODA5 6FDA-HAB 5 -ODA 5 x=0.5, y=0.5x = 0.5, y = 0.5 합성예 6Synthesis Example 6 6FDA-HAB8-ODA2 6FDA-HAB 8 -ODA 2 x=0.8, y=0.2x = 0.8, y = 0.2 합성예 7Synthesis Example 7 6FDA-HAB5-DAM5 6FDA-HAB 5 -DAM 5 x=0.5, y=0.5x = 0.5, y = 0.5 합성예 8Synthesis Example 8 ODPA-HAB5-ODA5 ODPA-HAB 5 -ODA 5 x=0.5, y=0.5x = 0.5, y = 0.5 합성예 9Synthesis Example 9 ODPA-HAB8-ODA2 ODPA-HAB 8 -ODA 2 x=0.8, y=0.2x = 0.8, y = 0.2

HAB(3,3'-디아미노-4,4'-디히드록시바이페닐)HAB (3,3'-diamino-4,4'-dihydroxybiphenyl)

DAM(2,4,6-트리메틸페닐렌디아민)
DAM (2,4,6-trimethylphenylenediamine)

[[ 실시예Example 1]  One] 열전환Thermal Conversion 폴리Poly (( 벤즈옥사졸Benzoxazole -- 이미드Imide ) 나노 ) Nano 복합막의Composite membrane 제조 Produce

합성예 1로부터 얻어진 6FDA-APAF2-ODA8을 디메틸아세트아미드(DMAc)에 녹여 10 중량%의 용액을 준비하였다. 23G 니들을 장착한 10 ml 실린지에 고분자 용액 6 ml를 충전한 후, 전기방사 장치(ES-robot, NanoNC, 한국)의 실린지 펌프에 장착하고 통상의 전기방사 조건에 따라 전기방사 하여 부직포 막을 얻었다. 그리고 2 중량%의 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 안정제로 사용한 공지의 재침전법에 의하여 미리 얻은 평균입경 700 nm인 합성예 1에 의한 6FDA-APAF2-ODA8 공중합체의 나노입자가 에탄올에 1 중량% 농도로 분산된 용액을 상기 부직포 막 위에 스프레이 코팅하였다. 이어서 상기 스프레이 코팅한 부직포 막을 알루미나 판과 카본 천 사이에 넣고, 고순도의 아르곤 가스 분위기에서 3 ℃/min의 속도로 400 ℃까지 승온한 후, 400 ℃에서 2시간 동안 등온 상태를 유지하여 열처리함으로써 하기 <화학식 6>으로 표시되는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막을 제조하였다(x, y는 <화학식 5>에서 정의한 바와 같다).6FDA-APAF 2 -ODA 8 obtained from Synthesis Example 1 was dissolved in dimethylacetamide (DMAc) to prepare a 10 wt% solution. 6 ml of the polymer solution was filled in a 10 ml syringe equipped with a 23 G needle and then mounted on a syringe pump of an electrospinning device (ES-robot, NanoNC, Korea) and electrospun according to normal electrospinning conditions to obtain a nonwoven film . The nanoparticles of 6FDA-APAF 2 -ODA 8 copolymer according to Synthesis Example 1 having an average particle diameter of 700 nm previously obtained by a known reprecipitation method using 2% by weight of polyvinylpyrrolidone (PVP) as a stabilizer were added to ethanol A solution dispersed at a concentration of 1 wt% was spray coated onto the nonwoven fabric film. Then, the spray-coated nonwoven fabric film was placed between the alumina plate and the carbon cloth, and the temperature was raised to 400 DEG C at a rate of 3 DEG C / min in a high purity argon gas atmosphere. Thereafter, the isotropic state was maintained at 400 DEG C for 2 hours, (Benzoxazole-imide) nanocomposite membrane represented by Formula 6 was prepared (x and y are as defined in Formula 5).

<화학식 6>(6)

Figure 112013118236155-pat00025

Figure 112013118236155-pat00025

[[ 실시예Example 2 내지 9]  2 to 9] 열전환Thermal Conversion 폴리Poly (( 벤즈옥사졸Benzoxazole -- 이미드Imide ) 나노 ) Nano 복합막의Composite membrane 제조 Produce

합성예 2 내지 9로부터 얻어진 샘플을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막을 제조하였다.
Heat-converted poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membranes were prepared in the same manner as in Example 1, using the samples obtained in Synthesis Examples 2 to 9.

[[ 실시예Example 10 내지 18]  10 to 18] 열전환Thermal Conversion 폴리Poly (( 벤즈옥사졸Benzoxazole -- 이미드Imide ) 나노 ) Nano 복합막의Composite membrane 제조 Produce

5 중량%의 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 안정제로 사용한 공지의 재침전법에 의하여 평균입경 900 nm인 합성예 1 내지 9에 의한 공중합체의 나노입자를 미리 얻은 것을 제외하고는 실시예 1 내지 9와 동일한 방법으로 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막을 제조하였다.Except that the nanoparticles of the copolymers according to Synthesis Examples 1 to 9 having an average particle size of 900 nm were obtained in advance by a known reprecipitation method using 5% by weight of polyvinylpyrrolidone (PVP) as a stabilizer, (Benzoxazole-imide) nanocomposite membrane was prepared in the same manner as in Example 9.

[[ 실험예Experimental Example ] ] 리튬이차전지의The lithium secondary battery 충방전Charging and discharging 특성 측정 Characterization

LiCoO2(Wellcos, Japan)를 정극 물질로, 그라파이트(Wellcos, Japan)를 부극 물질로 사용하여 통상의 방법에 따라 전극을 제작하고, 상기 실시예 1 내지 19에 따른 나노 복합막을 세퍼레이터로 사용하여 스태킹 방식으로 전지를 조립하였으며, 에틸렌 카보네이트 : 디에틸카보네이트 (1 : 1, 부피비) 혼합용매에 1M의 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6)가 용해된 전해액을 주입하여 리튬이차전지를 제작하였다. 이렇게 제작된 리튬이차전지의 충방전 특성을 측정하였고, 비교예로서는 상용화된 분리막(Celgard 2400, 미세다공성 폴리프로필렌 단일막)을 세퍼레이터로 사용한 리튬이차전지의 충방전 특성을 측정하였다.
Electrodes were fabricated according to a conventional method using LiCoO 2 (Wellcos, Japan) as the positive electrode material and graphite (Wellcos, Japan) as the negative electrode material. Using the nanocomposite membrane according to Examples 1 to 19 as the separator, , And an electrolyte solution in which 1 M of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate: diethyl carbonate (1: 1, volume ratio) was injected to prepare a lithium secondary battery. The charge / discharge characteristics of the lithium secondary battery thus fabricated were measured. As a comparative example, the charge / discharge characteristics of a lithium secondary battery using a commercially available separator (Celgard 2400, microporous polypropylene single membrane) as a separator were measured.

도 1에는 실시예 1 내지 9에 따라 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막의 ATR-IR 스펙트럼을 나타내었다. 3400 cm-1 부근에서 나타나는 O-H 스트레칭 피크가 사라지고, 1054 cm-1 부근에서 전형적인 벤즈옥사졸 고리에 기인하는 피크가 나타난 것으로 보아 열처리 과정에서 벤즈옥사졸 고리가 형성되었음을 알 수 있었다. 게다가 이미드기 고유의 흡수 밴드도 1784 cm-1 및 1717 cm-1 부근에서 발견되어 400℃에 이르는 열전환 온도에서도 방향족 이미드 연결고리의 열적 안정성을 확인할 수 있으므로, 코팅층을 포함하는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 복합막이 안정적으로 제조되었음을 확인할 수 있다.FIG. 1 shows the ATR-IR spectra of the heat-converted poly (benzoxazole-imide) nanocomposite films prepared according to Examples 1 to 9. OH stretching peak appearing at around 3400 cm -1 disappears and a peak due to a typical benzoxazole ring is observed at around 1054 cm -1 . As a result, a benzoxazole ring was formed in the heat treatment process. In addition, since the inherent absorption band of the imide is also found around 1784 cm -1 and 1717 cm -1 , the thermal stability of the aromatic imide linkage can be confirmed even at the heat conversion temperature reaching 400 ° C., Benzoxazole-imide) composite membrane was stably produced.

또한, 도 2에는 상기 실시예들 중에서 실시예 8에 따른 코팅층이 형성되기 전의 막 표면(a)과 코팅층을 형성하고 열처리 한 복합막 표면(b)의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타내었는데, 도 2의 (b)로부터 최종적인 열전환에 의하여 균일한 나노입자 코팅층이 완성됨과 동시에, 전기방사에 의한 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막과 코팅층이 서로 완벽하게 연결되어 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막이 제조되었음을 확인할 수 있다.2 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface (a) of the composite membrane according to Example 8 and the surface (b) of the composite membrane obtained by forming the coating layer and heat- 2 (b), a uniform nanoparticle coating layer is completed by the final thermal conversion, and at the same time, the hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven fabric layer by electrospinning and the coating layer are completely connected to each other, - imide) nanocomposite membrane was fabricated.

한편, 도 3에는 실시예 8에 따른 ODPA-HAB5-ODA5 공중합체 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 사진[도 3(a)]과 이를 부직포 막에 코팅한 후 열처리한 나노 복합막의 주사전자현미경(SEM) 사진[도 3(b)]을 나타내었다. 그리고 도 4에는 실시예 17에 따른 ODPA-HAB5-ODA5 공중합체 나노입자의 투과전자현미경(TEM) 사진[도 4(a)]과 이를 부직포 막에 코팅한 후 열처리한 나노 복합막의 주사전자현미경(SEM) 사진[도 4(b)]을 나타내었는바, 도 3(a) 및 3(b)로부터는 다공성이 낮고, 도 4(a) 및 4(b)로부터는 다공성이 높음을 확인할 수 있어 재침전법에 의한 나노입자 제조시 안정제로 사용한 폴리비닐피롤리돈(PVP)의 농도를 2~5 중량% 범위에서 조절함으로써 다공성을 제어할 수 있음을 알았으며, 리튬이온을 보다 자유롭게 이동시키기 위해서 다공성이 높은 나노 복합막을 리튬이온전지의 세퍼레이터로서 더욱 바람직하게 사용할 수 있다.3 shows TEM images of the ODPA-HAB 5 -ODA 5 copolymer nanoparticles according to Example 8 (FIG. 3 (a)) and the nanocomposite films coated with the heat-treated nanoparticles An electron microscope (SEM) photograph (Fig. 3 (b)) is shown. 4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the ODPA-HAB 5 -ODA 5 copolymer nanoparticles according to Example 17 (FIG. 4 (a)), 4 (a) and 4 (b) show a low porosity and a high porosity from Figs. 4 (a) and 4 (b) It is known that the porosity can be controlled by controlling the concentration of polyvinylpyrrolidone (PVP) used as a stabilizer in the range of 2 to 5 wt% in the preparation of nanoparticles by the reprecipitation method, A nanocomposite membrane having high porosity can be more preferably used as a separator of a lithium ion battery.

또한, 실시예 1에 따른 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막이 열전환되는 과정에서 탈카르복실화(decarboxylation)에 의한 중량 감소를 열중량분석기(TGA)로 시험하여 도 5에 그 결과를 나타내었다In addition, the weight reduction by decarboxylation in the course of thermal conversion of the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane according to Example 1 was tested with a thermogravimetric analyzer (TGA) The results are shown

도 5에서 고분자 사슬의 일반적인 분해온도인 500 내지 600 ℃ 이전에 300 내지 470 ℃에서 뚜렷한 중량 감소 피크를 볼 수 있는데, 이러한 최초의 중량 감소 단계 동안에 CO2가 방출되는 것이 질량분석기에 의하여 입증되며, 열전환 공정이 수반되는 것임을 의미한다.Figure can be seen a marked weight loss peak in the typical decomposition temperature of 500 to 600 ℃ previous 300 to 470 ℃ in the polymer chain in the 5, and during this first weight loss step is that the CO 2 emission evidenced by the mass spectrometer, Which means that a thermal conversion process is involved.

또한, 본 발명에 따른 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막을 세퍼레이터로 사용한 리튬이차전지의 충방전 특성을 비교평가하기 위하여, 실시예 8과 실시예 17에 의하여 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막 및 상용화된 분리막(Celgard 2400)을 사용한 리튬이차전지의 1C에서 30 ℃ 및 55 ℃에서의 사이클 특성을 각각 도 6 및 도 7에 나타내었다.In order to comparatively evaluate the charge-discharge characteristics of the lithium secondary battery using the heat-converted poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane according to the present invention as a separator, the heat conversion poly (Benzoxazole-imide) nanocomposite membrane and a commercially available separator (Celgard 2400) are shown in Fig. 6 and Fig. 7, respectively, at 30 캜 and 55 캜 in 1 C of the lithium secondary battery.

도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이 상용화된 분리막(Celgard 2400)보다 본 발명에 따른 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막을 세퍼레이터로 사용한 리튬이차전지가 30 ℃와 55 ℃에서 모두 더 우수한 전기화학적 특성을 나타냄을 알 수 있다. 특히, 상대적으로 고온인 55 ℃에서 더 많은 차이를 보이고 있는데, 이는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막의 열적 안정성이 뛰어난 것에 기인하여 더 우수한 전기화학적 특성을 나타내는 것으로 볼 수 있다.As shown in FIGS. 6 and 7, a lithium secondary battery using a thermally-converting poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane according to the present invention as a separator rather than a commercialized separator (Celgard 2400) And exhibits excellent electrochemical characteristics. In particular, at 55 ° C, which is a relatively high temperature, there are more differences, indicating that the heat-converted poly (benzoxazole-imide) nanocomposite film has superior electrochemical properties due to its excellent thermal stability.

또한, 도 8 및 도 9에는 실시예 8과 실시예 17에 의하여 제조된 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막 및 상용화된 분리막(Celgard 2400)을 사용한 리튬이차전지의 첫 충방전 사이클의 전기화학적 임피던스 분석(EIS) 결과(도 8)와 10 사이클 충방전 후 전기화학적 임피던스 분석(EIS) 결과(도 9)를 나타내었다. 도 8 및 도 9에서 보는 바와 같이 상용화된 분리막(Celgard 2400)보다 본 발명에 따른 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막을 세퍼레이터로 사용한 리튬이차전지가 더 낮은 임피던스 저항 값을 가지고 있는데, 이는 본 발명에 따른 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막의 젖음성이 우수하고 다공성이 높기 때문에 나타나는 결과로 볼 수 있다.8 and 9 show the first charge / discharge cycles of a lithium secondary battery using the thermally-converting poly (benzoxazole-imide) nanocomposite film produced by Example 8 and Example 17 and the commercialized separator (Celgard 2400) The electrochemical impedance analysis (EIS) results of the cycle (FIG. 8) and the electrochemical impedance analysis (EIS) results after 10 cycles of charging and discharging (FIG. 9) are shown. As shown in FIGS. 8 and 9, a lithium secondary battery using a thermally-converted poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane according to the present invention as a separator rather than a commercially available separator (Celgard 2400) has a lower impedance resistance value , Which is a result of the excellent wettability and high porosity of the heat conversion poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane according to the present invention.

따라서 본 발명에 따른 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 나노 복합막은 열적, 기계적, 화학적 특성이 뛰어날 뿐만 아니라, 다공성이 높고 전해액에 대한 젖음성이 우수하며, 고온이나 고압에서도 안정성이 향상되기 때문에, 이를 세퍼레이터로 적용함으로써 전기화학적 특성이 우수한 리튬이차전지를 제공할 수 있으며, 그 밖에 다양한 전기화학 소자에도 바람직하게 응용할 수 있다.Accordingly, the thermally-converted poly (benzoxazole-imide) nanocomposite membrane according to the present invention is excellent in thermal, mechanical and chemical properties, has high porosity, has excellent wettability with respect to electrolytes, and has improved stability at high temperatures and high pressures , It can be used as a separator to provide a lithium secondary battery excellent in electrochemical characteristics and can be suitably applied to various electrochemical devices.

Claims (15)

(a) 하기 일반식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막; 및
(b) 상기 부직포 막 상에 형성된 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 나노입자 코팅층;을 포함하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막.
<일반식 1>
Figure 112018062456185-pat00049

<화학식 1>
Figure 112018062456185-pat00050

상기 <일반식 1> 및 <화학식 1>에서,
Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,
Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며,
Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이고, x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9, x+y=1이다.
(a) a hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven fabric film having a repeating unit represented by the following general formula (1); And
(b) a heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer nanoparticle coating layer having a repeating unit represented by the following formula (1) formed on the nonwoven fabric film.
&Lt; General Formula 1 &
Figure 112018062456185-pat00049

&Lt; Formula 1 >
Figure 112018062456185-pat00050

In the above-mentioned general formulas 1 and 2,
Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, and is connected to a C (CF 3) 2 or CO-NH,
Ar 2 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C ( CF 3) is connected to 2 or CO-NH,
Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, CO- NH, C (CH 3) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, x, y is 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤ a molar fraction within each repeating unit 0.9, and x + y = 1.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 Ar1은 하기 <구조식 1>로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막:
<구조식 1>
Figure 112018062456185-pat00027

상기 <구조식 1>에서,
X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 CO-NH이고, W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 CO이고, Z1은 O, S, CR1R2 또는 NR3이고, 여기서 R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR4(R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기)이나 동시에 CR4는 아니다.
The method according to claim 1,
Wherein Ar < 1 > is any one selected from the following structural formula (1): < EMI ID =
<Structure 1>
Figure 112018062456185-pat00027

In the above formula 1,
X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other and each independently represents O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-NH, W 1 and W 2 are the same or different and independently O, S , Or CO and Z 1 is O, S, CR 1 R 2 or NR 3 wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each independently is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms and Z 2 and Z 3 are the same or different and are each independently N or CR 4 (R 4 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms) or is not CR 4 at the same time.
제3항에 있어서,
상기 Ar1은 하기 <구조식 2>로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막:
<구조식 2>
Figure 112013118236155-pat00028

Figure 112013118236155-pat00029
The method of claim 3,
Wherein Ar < 1 > is any one selected from the following Structural Formulas 2:
&Lt; Formula 2 >
Figure 112013118236155-pat00028

Figure 112013118236155-pat00029
제1항에 있어서,
상기 Ar2는 하기 <구조식 3>으로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막:
<구조식 3>
Figure 112018062456185-pat00030

상기 <구조식 3>에서,
X1, X2, X3 및 X4는 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, 또는 CO-NH이고, W1 및 W2는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 O, S, 또는 CO이고, Z1은 O, S, CR1R2 또는 NR3이고, 여기서 R1, R2 및 R3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이고, Z2 및 Z3는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 N 또는 CR4(R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기)이나 동시에 CR4는 아니다.
The method according to claim 1,
Wherein Ar < 2 > is any one selected from the following Structural Formula 3:
<Formula 3>
Figure 112018062456185-pat00030

In the above formula 3,
X 1 , X 2 , X 3 and X 4 are the same or different from each other and each independently represents O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3 ) 2 , (CH 2 ) p (CF 2 ) q ( 1 ? Q ? 10), C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 or CO-NH, W 1 and W 2 are the same or different and independently O, S , Or CO and Z 1 is O, S, CR 1 R 2 or NR 3 wherein R 1 , R 2 and R 3 are the same or different and each independently is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms and Z 2 and Z 3 are the same or different and are each independently N or CR 4 (R 4 is hydrogen or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms) or is not CR 4 at the same time.
제5항에 있어서,
상기 Ar2는 하기 <구조식 4>로 표시되는 것 중에서 선택되는 어느 하나의 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막:
<구조식 4>
Figure 112013118236155-pat00031

Figure 112013118236155-pat00032

Figure 112013118236155-pat00033
6. The method of claim 5,
Wherein Ar < 2 > is any one selected from the following structural formula (4): < EMI ID =
<Formula 4>
Figure 112013118236155-pat00031

Figure 112013118236155-pat00032

Figure 112013118236155-pat00033
제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 나노 복합막을 포함하는 리튬이차전지.A lithium secondary battery comprising the nanocomposite membrane according to any one of claims 1 to 6. i) 하기 화학식 2로 표시되는 산이무수물, 하기 화학식 3으로 표시되는 오르쏘-히드록시 디아민 및 화학식 4로 표시되는 방향족 디아민을 반응시켜 폴리아믹산 용액을 얻은 후, 공비 열 이미드화법에 의하여 하기 일반식 1로 표시되는 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체를 합성하는 단계;
ii) 상기 i) 단계에서 얻은 하기 일반식 1로 표시되는 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체를 유기용매에 녹인 고분자용액을 전기방사 하여 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 부직포 막을 얻는 단계; 및
iii) 상기 ii) 단계에서 얻은 부직포 막에 재침전법에 따라 상기 i) 단계에서 미리 수득한 하기 일반식 1로 표시되는 히드록시기 함유 폴리이미드 공중합체 나노입자를 코팅한 후, 열처리함으로써 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 갖는 열전환 폴리(벤즈옥사졸-이미드) 공중합체 나노입자 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 제1항의 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막의 제조방법.
<화학식 1>
Figure 112018062456185-pat00051

상기 <화학식 1>에서,
Ar1은 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 4가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있고,
Ar2는 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 6 내지 24의 아릴렌기 및 치환 또는 비치환된 2가의 탄소수 4 내지 24의 복소환기에서 선택되는 방향족 고리기이고, 상기 방향족 고리기는 단독으로 존재하거나; 2개 이상이 서로 축합 고리를 형성하거나; 2개 이상이 단일결합, O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2 또는 CO-NH로 연결되어 있으며,
Q는 단일결합이거나; O, S, CO, SO2, Si(CH3)2, (CH2)p (1≤p≤10), (CF2)q (1≤q≤10), C(CH3)2, C(CF3)2, CO-NH, C(CH3)(CF3), 또는 치환 또는 비치환된 페닐렌기이고, x, y는 각각 반복단위 내 몰분율로서 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9, x+y=1이다.
<화학식 2>
Figure 112018062456185-pat00052

상기 <화학식 2>에서, Ar1은 상기 <화학식 1>에서 정의한 바와 같다.
<화학식 3>
Figure 112018062456185-pat00053

상기 <화학식 3>에서, Q는 상기 <화학식 1>에서 정의한 바와 같다.
<화학식 4>
Figure 112018062456185-pat00054

상기 <화학식 4>에서, Ar2는 상기 <화학식 1>에서 정의한 바와 같다.
<일반식 1>
Figure 112018062456185-pat00055

상기 <일반식 1>에서, Ar1, Ar2, Q, x 및 y는 상기 <화학식 1>에서 정의한 바와 같다.
i) reacting an acid dianhydride represented by the following general formula (2), ortho-hydroxydiamine represented by the following general formula (3) and an aromatic diamine represented by the general formula (4) to obtain a polyamic acid solution, Synthesizing a hydroxy group-containing polyimide copolymer represented by Formula 1;
ii) electrospinning a polymer solution obtained by dissolving the hydroxy group-containing polyimide copolymer represented by the following general formula 1 in an organic solvent to obtain a hydroxy group-containing polyimide copolymer nonwoven film; And
iii) coating the nonwoven fabric film obtained in the step ii) with the hydroxyl group-containing polyimide copolymer nanoparticles represented by the following general formula 1 previously obtained in the above step i) according to the reprecipitation method and then heat- And a step of forming a heat-converted poly (benzoxazole-imide) copolymer nanoparticle coating layer having a repeating unit having a repeating unit represented by the following formula (1).
&Lt; Formula 1 >
Figure 112018062456185-pat00051

In the above formula (1)
Ar 1 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted quadrivalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted quadrivalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, and is connected to a C (CF 3) 2 or CO-NH,
Ar 2 is an aromatic ring group selected from a substituted or unsubstituted divalent arylene group having 6 to 24 carbon atoms and a substituted or unsubstituted divalent heterocyclic group having 4 to 24 carbon atoms and the aromatic ring group is present alone; Two or more of them form a condensed ring with each other; Two or more single bond, O, S, CO, SO 2, Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C ( CF 3) is connected to 2 or CO-NH,
Q is a single bond; O, S, CO, SO 2 , Si (CH 3) 2, (CH 2) p (1≤p≤10), (CF 2) q (1≤q≤10), C (CH 3) 2, C (CF 3) 2, CO- NH, C (CH 3) (CF 3), or a substituted or unsubstituted phenylene ring, x, y is 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤ a molar fraction within each repeating unit 0.9, and x + y = 1.
(2)
Figure 112018062456185-pat00052

In the above formula (2), Ar 1 is as defined in the above formula (1).
(3)
Figure 112018062456185-pat00053

In the above formula (3), Q is as defined in the above formula (1).
&Lt; Formula 4 >
Figure 112018062456185-pat00054

In the formula 4, Ar 2 is the same as defined in the formula 1.
&Lt; General Formula 1 &
Figure 112018062456185-pat00055

In the general formula (1), Ar 1 , Ar 2 , Q, x and y are the same as defined in the general formula (1).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제8항에 있어서,
상기 i) 단계의 공비 열 이미드화법은 폴리아믹산 용액에 톨루엔 또는 자일렌을 첨가하고 교반하여 180 내지 200 ℃에서 6 내지 12시간 동안 이미드화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The azeotropic thermal imidization method of step i) is characterized in that toluene or xylene is added to the polyamic acid solution, and the imidation reaction is carried out at 180 to 200 ° C for 6 to 12 hours with stirring. A method for producing a composite membrane.
제8항에 있어서,
상기 재침전법은 2 내지 5 중량%의 폴리비닐피롤리돈(PVP) 또는 폴리비닐알코올(PVA)을 안정제로 사용하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the reprecipitation method comprises using 2 to 5% by weight of polyvinylpyrrolidone (PVP) or polyvinyl alcohol (PVA) as a stabilizer.
제8항에 있어서,
상기 iii) 단계의 코팅은 스프레이법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the coating of step iii) is carried out by spraying. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 15. &lt; / RTI &gt;
제8항에 있어서,
상기 iii) 단계의 열처리는 고순도의 불활성 가스 분위기에서 1 내지 20 ℃/min의 승온 속도로 350 내지 450 ℃까지 승온한 후 0.1 내지 3시간 동안 등온 상태를 유지함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 세퍼레이터용 나노 복합막의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the heat treatment in step iii) is performed by raising the temperature to 350 to 450 DEG C at a rate of 1 to 20 DEG C / min in an inert gas atmosphere of high purity, and then maintaining an isothermal state for 0.1 to 3 hours. (Method for producing a nanocomposite membrane for separator).
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