KR101919874B1 - 자가치유가 가능한 배터리용 분리막 - Google Patents

자가치유가 가능한 배터리용 분리막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자가치유가 가능한 배터리용 분리막에 관한 것으로서, 본체와, 상기 본체의 내부에 함침되고, 상기 본체의 일측에 균열이 발생되는 경우 상기 균열이 발생된 균열발생영역으로 유입되는 자가치유유닛 및 상기 본체의 일측에 함침되고, 상기 균열발생영역으로 유입된 상기 자가치유유닛과 반응하여 상기 자가치유유닛이 경화되도록 하는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가치유가 가능한 배터리용 분리막을 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 분리막에 발생된 균열이 발생되는 경우 균열이 생성되면서 발생하는 에너지에 의해 자가치유유닛이 균열발생영역으로 유입되어 균열을 자가치유할 수 있는 효과가 있다.

Description

자가치유가 가능한 배터리용 분리막{Separator for batteries having self-healing function}
본 발명은 자가치유가 가능한 배터리용 분리막에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분리막에 발생된 균열이 발생되는 경우 균열이 생성되면서 발생하는 에너지에 의해 자가치유유닛이 유동되어 균열을 치유함으로써 균열에 의한 폭발을 방지하고, 이에 따라 폭발로 인한 안전사고를 미연에 방지할 수 있는 자가치유가 가능한 배터리용 분리막에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리(Lithium-ion battery)는 이차 전지의 일종으로서, 에너지 밀도가 높고 기억효과가 있으며, 사용하지 않을 경우에도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 다양한 전자 기기들에서 사용되고 있으며, 최근에는 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화 시스템, 항공산업 분야에서도 그 사용빈도가 증가하고 있다.
도1은 일반적인 리튬 이온 배터리의 원리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도1에서 보는 바와 같이 일반적인 리튬 이온 배터리(100)는 크게 본체(110)와, 본체(110)의 양측부에 각각 대향되게 설치되는 정극(120)과 부극(130) 및 본체(110) 내에 설치되어 정극(120)과 부극(130)을 절연하는 분리막(140)으로 구성된다.
이러한 리튬 이온 배터리(100)는 정극(120)에 포함된 리튬이온의 전자가 도선을 통해 부극(130)으로 이동되면서 충전되며, 부극(130)으로 이동된 전자가 도선을 통해 다시 정극(120)으로 이동는 경우 방전되는 동작을 취한다.
이때, 분리막(140)은 정극(120)과 부극(130)을 물리적으로 분리하여 전자가 정극(120)에서 부극(130), 도는 부극(130)에서 정극(120)으로 직접 이동되지 않도록 함으로써 쇼트를 방지함과 아울러 일측에 형성되는 미세공극을 통해 이온이 이동할 수 있도록 함에 따라 전하의 흐름이 이루어질 수 있도록 하는 역할을 한다.
그러나, 종래의 배터리용 분리막(140)은 과충전 또는 과방전의 문제로 이온이 원활하게 통과되지 못하거나 비가역적인 부반응(Side reaction)으로 인해 일부가 찢어지는 등의 손상으로 인해 전자가 도선이 아닌 손상된 틈새로 직접 이동하여 단락(short)이 발생되는 문제점이 있었을 뿐 아니라 단락(short)으로 인해 배터리가 부풀어 오르면서 심각한 경우 폭발로 이어지는 문제점이 있었다.
한국공개특허 2001-0006107호 '배터리 보호 시스템' 한국공개특허 2016-0126490호 '안전성을 높인 배터리 저장장치'
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 분리막에 발생된 균열이 발생되는 경우 균열이 생성되면서 발생하는 에너지에 의해 자가치유유닛이 균열발생영역으로 유입되어 균열을 자가치유할 수 있는 자가치유가 가능한 배터리용 분리막을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 균열이 지속적으로 성장함에 따라 본체의 온도가 미리 설정된 온도를 초과하는 경우 자가치유유닛이 본체 내부에서 전체적으로 퍼지도록 함으로써 배터리의 기능이 상실되도록 하여 과전류로 인한 폭발을 미연에 방지할 수 있는 자가치유가 가능한 배터리용 분리막을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 본체와, 상기 본체의 내부에 함침되고, 상기 본체의 일측에 균열이 발생되는 경우 상기 균열이 발생된 균열발생영역으로 유입되는 자가치유유닛 및 상기 본체의 일측에 함침되고, 상기 균열발생영역으로 유입된 상기 자가치유유닛과 반응하여 상기 자가치유유닛이 경화되도록 하는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가치유가 가능한 배터리용 분리막을 제공한다.
그리고, 상기 자가치유유닛은 내부에 수용공간이 형성되고, 상기 본체 중 상기 균열이 발생된 영역의 주변 온도가 미리 설정된 온도를 초과하는 경우 상기 균열이 발생된 영역 주변의 열에 의해 용융되는 캡슐 및 상기 캡슐 내에 수용되고, 상기 캡슐이 용융되는 경우 상기 캡슐로부터 유출되어 상기 균열발생영역으로 유입되는 액상의 치유단량체를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 캡슐은 상기 본체의 온도가 미리 설정된 온도를 초과하는 경우 상기 본체로부터 발생된 열에 의해 용융되고, 상기 치유단량체는 상기 캡슐로부터 유출되어 상기 본체의 내부 일측에서 상기 촉매에 의해 경화될 수 있다.
아울러, 상기 본체의 표면에 형성되는 코팅층을 더 포함하되, 상기 본체는 내부 일측에 적어도 하나의 마이크로 도관이 형성되고, 상기 자가치유유닛은 상기 마이크로 도관 내에 수용되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 촉매는 상기 본체의 표면에 형성될 수 있다.
한편, 상기 치유단량체는 유동성을 갖는 열가소성 탄성체가 사용되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 치유단량체는 액상의 다이사이클로펜타다이엔(dicyclopentadiene)이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 촉매는 그럽스(grubbs)가 사용되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 분리막에 발생된 균열이 발생되는 경우 균열이 생성되면서 발생하는 에너지에 의해 자가치유유닛이 균열발생영역으로 유입되어 균열을 자가치유할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 균열이 지속적으로 성장함에 따라 본체의 온도가 미리 설정된 온도를 초과하는 경우 자가치유유닛이 본체 내부에서 전체적으로 퍼지도록 함으로써 배터리의 기능이 상실되도록 하여 과전류로 인한 폭발을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도1은 일반적인 리튬 이온 배터리의 원리를 개략적으로 도시한 도면,
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 자가치유가 가능한 배터리용 분리막의 부분 사시도,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 자가치유가 가능한 배터리용 분리막의 부분 단면도,
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 치유단량체가 용융된 캡슐로부터 유출되는 상태를 도시한 도면,
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 치유단량체가 균열발생영역으로 유입되는 상태를 도시한 도면,
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자가치유가 가능한 배터리용 분리막의 부분 사시도,
도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 치유단량체가 균열발생영역으로 유입되는 상태를 도시한 도면.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 자가치유가 가능한 배터리용 분리막의 부분 사시도이고, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 자가치유가 가능한 배터리용 분리막의 부분 단면도이다.
도2 및 도3에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 자가치유가 가능한 배터리용 분리막(1)은 본체(10)와, 자가치유유닛(20) 및 촉매(30)를 포함하여 구성된다.
본체(10)는 배터리의 정극과 부극을 물리적으로 분리하여 양전극간 전자가 직접 흐르지 않도록 하는 역할을 하는 것, 즉 양전극간 직접적인 전기접촉으로 인한 쇼트(short)되는 것을 방지하는 역할을 함과 아울러 일측에 형성되는 미세공극을 통해 양전극간 이온이 이동되도록 함으로써 전하의 흐름이 이루어지도록 하는 역할을 한다.
이러한 본체(10)는 배터리의 정극과 부극간 직접적인 전기접촉을 효율적으로 방지할 수 있도록 절연성이 높으면서도 배터리 전해액과의 친화력이 높아야 할 뿐 아니라 이온의 흐름이 원활하기 이루어질 수 있도록 다공성이 높고 얇은 두께를 가지며, 내열성 및 기계적 강도가 높은 고분자 물질로 이루어지는 것이 바람직한데, 일예로 미세공극이 형성된 폴리올리핀계의 폴리에틸렌(PE) 필름, 또는 폴리프로필렌(PP) 필름이 사용될 수 있다.
자가치유유닛(20)은 본체(10)의 일측에 함침된 캡슐(21)과, 캡슐(21) 내부에 수용되는 치유단량체(22)를 포함하여 구성되며, 본체(10)의 일측에 균열이 발생되는 경우 균열이 발생된 균열발생영역으로 유입된 후 경화되어 균열을 메우는, 즉 균열을 자가치유하는 역할을 한다.
캡슐(21)은 대략 마이크로 크기의 구 형상으로 형성되되, 내부에 후술하는 치유단량체(22)가 수용되는 수용공간이 형성되며, 본체(10)의 일측에 균열이 생성됨에 따라 발생하는 에너지, 즉 균열이 발생된 방향으로 전자가 이동됨에 따라 열이 발생되어 본체(10) 중 균열이 발생된 영역 주변의 온도가 미리 설정된 온도를 초과하는 경우 발생된 열에 의해 용융되어 내부에 수용된 치유단량체(22)가 외부로 유출되도록 하는 역할을 하는데, 상기한 캡슐(21)은 우레아-포름알데히드 수지(urea formaldehyde resins)로 형성될 수 있다.
이러한 캡슐(21)은 후술하는 치유단량체(22)와 촉매(30)가 접촉하는 것을 방지함으로써 본체(10)를 제조하는 과정에서 경화가 일어나지 않도록 보호 벽 역할을 한다.
치유단량체(22)는 유동성을 갖도록 액상으로 형성되며, 앞서 설명한 바와 같이 캡슐(21) 내부에 수용된 상태에서 캡슐(21)이 용융되는 경우 균열발생영역으로 유입된 후 후술하는 촉매(30)와 반응하여 경화되면서 균열을 자가치유하는 역할을 한다.
이러한 치유단량체(22)는 저장수명이 길어야 하고, 유동효율을 위해 점도와 휘발성이 낮아야 할 뿐 아니라 상온에서도 경화가 쉽고 빠르게 일어나야 하며, 경화 후 수축이 작은 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
일예로, 치유단량체(22)는 액상의 열가소성 탄성체가 사용될 수 있는데, 보다 구체적으로는 액상의 다이사이클로펜타다이엔(dicyclopentadiene)이 사용될 수 있다.
여기서, 다이사이클로펜타다이엔(dicyclopentadiene)은 화학식이 C10H12인 유기화합물로서, C5H6의 화학식을 갖는 사이클로펜타다이엔(C5H6)이 상온에서 중합된 사이클로펜타다이엔의 이합체이며, 녹는점 33.6℃, 끓는점 170.0℃을 갖고 끓는점 이상으로 가열하면 쉽게 분해되는 특성을 갖는다.
촉매(30)는 본체(10)를 제조하는 과정에서 본체(10) 전체에 걸쳐 균일하게 함침되고, 본체(10) 일측에 균열이 발생는 경우 용융되는 캡슐(21)로부터 유출되어 균열발생영역으로 유입된 치유단량체(22)와 개환 복분해 리빙중합(living ring-opening metathesis polymerization; 이하 'ROMP'이라 함) 반응함으로써 자가치유유닛(20)을 경화하는 역할을 한다.
여기서, 촉매(30)는 ROMP 반응의 효율성을 위해 복분해 활성이 높고, 산소 및 수분뿐만 아니라 다양한 기능기 허용성이 높은 그럽스(Grubbs) 촉매(30)가 사용되는 것이 바람직한데, 본 실시예에서는 상기한 그럽스(Grubbs) 촉매(30)를 사용함에 따라 치유단량체(22)인 다이사이클로펜타다이엔(dicyclopentadiene; 이하 'DCPD'이라 함)을 상온에서도 수 분내에 경화시켜 강인하고도 가교도가 높은 고분자 네트워크를 형성시킬 수 있다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 치유단량체가 용융된 캡슐로부터 유출되는 상태를 도시한 도면이고, 도5는 본 발명의 일실시예에 따른 치유단량체가 균열발생영역으로 유입되는 상태를 도시한 도면이다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 자가치유가 가능한 배터리용 분리막(1)의 자가치유 동작을 첨부된 도4 및 도5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 외부요인으로 인해 본체(10)에 균열이 생성되고, 균열이 발생된 방향으로 전자가 이동됨에 따라 본체(10) 중 균열이 발생된 영역, 즉 균열발생영역 주변에서 열이 발생된다.
이에 균열발생영역 주변의 온도가 미리 설정된 온도, 즉 캡슐(21)의 용융점을 초과하는 경우 균열발생영역 주변의 캡슐(21)이 용융되고, 캡슐(21) 내부에 수용된 치유단량체(22)가 캡슐(21) 외부로 유출된다.
캡슐(21) 외부로 유출된 치유단량체(22)는 본체(10)에 생성된 균열을 따라 균열발생영역으로 유입되는데, 이러한 치유단량체(22)는 본체(10)에 함침된 촉매(30)와 ROMP 반응함으로써 경화된다.
이러한 치유단량체(22)와 촉매(30)의 ROMP 반응은 균열이 경화된 치유단량체(22)에 의해 메워질 때까지 계속되며, 균열이 경화된 치유단량체(22)에 의해 완전히 메워지면 자가치유가 완료된다.
이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 자가치유가 가능한 배터리용 분리막(1)은 균열발생시 본체(10)로부터 발생되는 열로 인해 자가치유유닛(20)이 캡슐(21)로부터 유출되도록 하고, 유출된 치유단량체(22)가 촉매(30)와 반응하여 경화되면서 생성된 균열이 메꿔지도록 함으로써 본체(10)에 생성된 균열의 성장을 차단하면서도 단락(short)를 방지한다.
한편, 발생된 균열을 자가치유함에도 불구하고, 본체(10)의 온도가 지속적으로 상승하여 미리 설정된 온도를 초과하는 경우 본체(10) 내부에 함침된 자가치유유닛(20)의 캡슐(21)이 모두 용융되고, 각 캡슐(21)로부터 유출된 치유단량체(22)가 본체(10) 내부에 전체적으로 퍼지면서 촉매(30)에 의해 경화되어 본체(10)의 기능, 즉 분리막의 기능이 상실되도록 함으로써 균열에 의한 폭발을 미연에 방지한다.
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자가치유가 가능한 배터리용 분리막의 부분 사시도이고, 도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 치유단량체가 균열발생영역으로 유입되는 상태를 도시한 도면이다.
도6 및 도7 실시예의 기본적인 구성은 도2 내지 도5의 실시예와 동일하나, 동일한 영역에 균열이 반복적으로 발생하여도 지속적인 자가치유가 가능한 구조로 형성된 것이다.
도6에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 본체(10)의 표면에 형성되는 코팅층(40)을 더 포함하되, 본체(10)의 표면에 촉매(30)가 형성된 상태에서 본체(10)의 내부 전체에 걸쳐 입체적인 마이크로 도관(11)이 형성되고, 마이크로 도관(11) 내부에 액상의 자가치유유닛(20')이 수용되는 구조를 취한다.
여기서 본 실시예에 따른 자가치유유닛(20')은 전 실시예의 치유단량체(22)와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
이러한 본 실시예는 전 실시예와 달리 본체(10)의 표면에 형성된 코팅층(40)에 균열이 발생되는 경우 모세관 작용에 의해 마이크로 도관(11) 내부의 자가치유유닛(20')이 균열발생영역으로 유입된다.
이때, 자가치유유닛(20')은 본체(10) 표면에 존재하는 촉매(30)와 ROMP 반응함에 따라 경화되고, 균열을 메꾸면서 치유하게 된다.
그 외의 구조는 전술한 기본 실시예와 동일하므로 나머지 설명은 생략하기로 한다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10 : 본체 11 : 마이크로 도관
20,20' : 자가치유유닛 21 : 캡슐
22 : 치유단량체 30 : 촉매
40 : 코팅층

Claims (8)

  1. 내부에 입체적인 마이크로 도관이 형성된 본체와;
    상기 본체의 표면에 형성되는 코팅층과;
    상기 마이크로 도관 내에 수용되는 액상의 자가치유유닛; 및
    상기 코팅층에 균열이 발생되는 경우 상기 자가치유유닛과 반응에 의해 상기 자가치유유닛을 경화시켜 균열을 메우도록, 상기 본체의 표면에 형성되는 촉매;를 포함하고,
    상기 마이크로 도관은, 상기 코팅층에 균열이 발생되는 경우 모세관 작용에 의해 상기 자가치유유닛을 상기 본체의 표면에 형성된 코팅층의 균열발생영역으로 유입시키도록 이루어지는 자가치유가 가능한 배터리용 분리막.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자가치유유닛은 유동성을 갖는 열가소성 탄성체가 사용되는 자가치유가 가능한 배터리용 분리막.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 자가치유유닛은 액상의 다이사이클로펜타다이엔(dicyclopentadiene)이 사용되는 자가치유가 가능한 배터리용 분리막.
  8. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 촉매는 그럽스(grubbs)가 사용되는 자가치유가 가능한 배터리용 분리막.
KR1020170010162A 2017-01-23 2017-01-23 자가치유가 가능한 배터리용 분리막 KR101919874B1 (ko)

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