KR102658662B1 - A separator for an electrochemical device and a method of manufacturing the separator - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자의 분리막 제조 방법으로서, 무기물 입자를 포함하는 제1 방사액 및 바인더 고분자를 포함하는 제2 방사액을 동시에 전기 방사하여 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1 방사액의 유량은 상기 제2 방사액의 유량보다 많은 것이다.The present invention is a method of manufacturing a separator for an electrochemical device containing a silicon-based cathode, comprising the step of simultaneously electrospinning a first spinning solution containing inorganic particles and a second spinning solution containing a binder polymer to form a freestanding porous separator. It includes, and the flow rate of the first spinning solution is greater than the flow rate of the second spinning solution.

Description

전기화학소자용 분리막 및 상기 분리막의 제조 방법{A SEPARATOR FOR AN ELECTROCHEMICAL DEVICE AND A METHOD OF MANUFACTURING THE SEPARATOR}Separator for electrochemical devices and method of manufacturing the separator {A SEPARATOR FOR AN ELECTROCHEMICAL DEVICE AND A METHOD OF MANUFACTURING THE SEPARATOR}

본 발명은 실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자의 분리막을 제조하는 방법과, 이에 따라 제조된 전기화학소자용 분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a separator for an electrochemical device including a silicon-based cathode, and a separator for an electrochemical device manufactured thereby.

전기화학소자는 전기화학 반응을 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 것으로, 최근에는 에너지 밀도와 전압이 높고, 사이클 수명이 길며 다양한 분야에 사용 가능한 리튬 이차 전지가 널리 사용되고 있다.Electrochemical devices convert chemical energy into electrical energy using an electrochemical reaction. Recently, lithium secondary batteries, which have high energy density and voltage, long cycle life, and can be used in various fields, have been widely used.

리튬 이차 전지는 양극, 음극, 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막으로 제조되는 전극조립체를 포함할 수 있고, 상기 전극조립체가 전해액과 함께 케이스에 수납되어 제조될 수 있다. 양극은 리튬 이온을 제공할 수 있으며, 리튬 이온은 다공성 소재로 이루어지는 분리막을 통과하여 음극으로 이동할 수 있다. 음극은 전기화학 반응 전위가 리튬 금속에 가깝고, 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 것이 바람직하다. 흑연과 같은 탄소계 활물질을 포함하는 음극은 리튬 이온의 삽입과 탈리에 따른 결정 구조의 변화가 적어 안정적이고, 우수한 사이클 수명을 나타내는 장점이 있다. A lithium secondary battery may include an electrode assembly made of a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and the electrode assembly may be manufactured by being stored in a case together with an electrolyte solution. The positive electrode can provide lithium ions, and the lithium ions can pass through a separator made of a porous material and move to the negative electrode. The cathode preferably has an electrochemical reaction potential close to that of lithium metal and allows insertion and desorption of lithium ions. A negative electrode containing a carbon-based active material such as graphite has the advantage of being stable and having an excellent cycle life due to little change in crystal structure due to insertion and desorption of lithium ions.

최근에는 전기자동차와 에너지 저장 장치와 같이 더 큰 용량과 더 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 이차 전지에 대한 수요가 증가하면서, 탄소계 활물질보다 용량이 더 높은 실리콘 등을 사용하는 비탄소계 활물질에 대한 개발이 이루어지고 있다. 그러나, 실리콘계 음극을 포함하는 리튬 이차 전지의 충전 과정에서 부피가 급격하게 팽창하기 때문에 충방전을 반복함에 따라 분리막이 변형될 수 있으며, 분리막의 변형이나 손상은 리튬 이차 전지의 절연 불량이나 수명 퇴화로 이어질 수 있다.Recently, as demand for lithium secondary batteries with larger capacity and higher energy density, such as those used in electric vehicles and energy storage devices, has increased, the development of non-carbon-based active materials using silicon, etc., which has higher capacity than carbon-based active materials, has been increasing. It is being done. However, since the volume of a lithium secondary battery containing a silicon-based negative electrode rapidly expands during the charging process, the separator may be deformed as charging and discharging are repeated, and deformation or damage to the separator may result in poor insulation or deterioration of the lifespan of the lithium secondary battery. It can lead to

따라서, 실리콘계 음극을 사용하는 전기화학소자에서 음극의 팽창에도 변형이 유발되지 않는 내압축성을 갖는 분리막에 대한 연구가 이루어지고 있다.Therefore, in electrochemical devices using silicon-based cathodes, research is being conducted on separators with compression resistance that do not cause deformation even when the cathode expands.

한국공개특허 제2021-0046405호Korean Patent Publication No. 2021-0046405 한국공개특허 제2021-0033327호Korean Patent Publication No. 2021-0033327

본 발명은 실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자에서, 충전시 팽창하는 음극에 의해 압축되더라도 변형되거나 손상되지 않는 구조의 분리막과 상기 분리막의 제조 방법 및 상기 분리막을 포함하는 전기화학소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims to provide, in an electrochemical device including a silicon-based cathode, a separator with a structure that is not deformed or damaged even when compressed by the cathode expanding during charging, a method of manufacturing the separator, and an electrochemical device including the separator. Do this.

본 발명의 일 측면은 실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자의 분리막으로서, 상기 분리막은, 폴리올레핀 기재를 포함하지 않는 프리스탠딩 다공성 분리막이며, 바인더 고분자 및 무기물 입자를 포함하되, 상기 바인더 고분자보다 상기 무기물 입자를 과량으로 포함하는 전기화학소자용 분리막을 제공한다.One aspect of the present invention is a separator for an electrochemical device including a silicon-based cathode, wherein the separator is a freestanding porous separator that does not contain a polyolefin substrate, and includes a binder polymer and inorganic particles, with the inorganic particles being more concentrated than the binder polymer. A separator for an electrochemical device comprising an excess amount of is provided.

상기 전기화학소자용 분리막에서, 상기 분리막은 상기 분리막의 전체 중량 대비 상기 무기물 입자를 60 내지 95 중량%로 포함할 수 있다.In the separator for an electrochemical device, the separator may include 60 to 95% by weight of the inorganic particles based on the total weight of the separator.

상기 전기화학소자용 분리막에서, 상기 분리막은 15 내지 45㎛의 두께를 만족하고, 하기 식 1로 정의되는 값이 1 내지 18%이하일 수 있다.In the separator for electrochemical devices, the separator satisfies a thickness of 15 to 45㎛, and the value defined by the following equation 1 may be 1 to 18% or less.

[식 1][Equation 1]

(T1 - T2) / T1 × 100(T1 - T2) / T1 × 100

상기 식 1에서,In equation 1 above,

상기 T1은 상기 분리막의 초기 두께이고,T1 is the initial thickness of the separator,

상기 T2는 상기 분리막을 면 압연기에서 5.2MPa, 70℃로 10초 동안 누른 후의 두께를 의미한다.The T2 refers to the thickness of the separator after pressing it at 5.2 MPa and 70°C for 10 seconds in a cotton rolling mill.

본 발명의 다른 일 측면은 양극, 실리콘계 음극, 상기 양극 및 상기 실리콘계 음극 사이에 위치하는, 상기 일 측면에 따른 전기화학소자용 분리막, 및 전해질을 포함하는 전기화학소자를 제공한다.Another aspect of the present invention provides an electrochemical device including an anode, a silicon-based cathode, a separator for an electrochemical device according to the above-described aspect, positioned between the anode and the silicon-based cathode, and an electrolyte.

본 발명의 또 다른 일 측면은 실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자의 분리막 제조 방법으로서, 무기물 입자를 포함하는 제1 방사액 및 바인더 고분자를 포함하는 제2 방사액을 동시에 전기 방사하여 프리스탠딩(freestanding) 다공성 분리막을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1 방사액의 유량은 상기 제2 방사액의 유량보다 많은 전기화학소자용 분리막의 제조 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a separator for an electrochemical device including a silicon-based cathode, wherein a first spinning solution containing inorganic particles and a second spinning solution containing a binder polymer are simultaneously electrospun to produce freestanding (freestanding) material. ) It includes the step of forming a porous separator, wherein the flow rate of the first spinning solution is greater than the flow rate of the second spinning solution.

상기 전기화학소자용 분리막의 제조 방법에서, 상기 실리콘계 음극은 Si, SiOx (0<x<2), SiC 및 Si 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 실리콘계 활물질을 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a separator for an electrochemical device, the silicon-based anode may include one or more silicon-based active materials selected from the group consisting of Si, SiOx (0<x<2), SiC, and Si alloy.

상기 전기화학소자용 분리막의 제조 방법에서, 상기 무기물 입자는 SiO2, Al2O3, AlOOH, TiO2, ZrO2, BaSO4, BaTiO3, ZnO, MgO, Mg(OH)2, Al(OH)3, Pb(Zr,Ti)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, Y2O3, SiC, ZnSn(OH)6, Zn2SnO4, ZnSnO3, Sb2O3, Sb2O4 및 Sb2O5로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.In the method for manufacturing a separator for an electrochemical device, the inorganic particles are SiO 2 , Al 2 O 3 , AlOOH, TiO 2 , ZrO 2 , BaSO 4 , BaTiO 3 , ZnO, MgO, Mg(OH) 2 , Al(OH) ) 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 , Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), HfO 2 , SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, NiO, It may be one or more selected from the group consisting of CaO, Y 2 O 3 , SiC, ZnSn(OH) 6 , Zn 2 SnO 4 , ZnSnO 3 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 and Sb 2 O 5 .

상기 전기화학소자용 분리막의 제조 방법에서, 상기 바인더 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리술폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소프렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알코올, 폴리스티렌, 폴리아크릴산, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드 및 그 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.In the method for manufacturing a separator for an electrochemical device, the binder polymer is polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyamide, polyimide, polyetherimide, polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, and polyethylene. , polypropylene, polyisoprene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polystyrene, polyacrylic acid, polymethyl methacrylate, polyacrylamide and derivatives thereof. there is.

상기 전기화학소자용 분리막의 제조 방법에서, 상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계는 상기 제1 방사액을 각각 80 내지 100 ㎕/min 및 1 내지 10 ㎕/min의 유량으로 전기 방사하는 것일 수 있다.In the method of manufacturing a separator for an electrochemical device, the step of forming the freestanding porous separator may be electrospinning the first spinning solution at a flow rate of 80 to 100 μl/min and 1 to 10 μl/min, respectively. .

상기 전기화학소자용 분리막의 제조 방법은, 상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계에서 형성된 분리막을 25 내지 60℃에서 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing a separator for an electrochemical device may further include pressurizing the separator formed in the step of forming the freestanding porous separator at 25 to 60°C.

상기 전기화학소자용 분리막의 제조 방법에서, 상기 전기화학소자용 분리막은 상기 가압하는 단계 전후의 저항 상승률이 50% 이하일 수 있다.In the method of manufacturing a separator for an electrochemical device, the resistance increase rate of the separator for an electrochemical device before and after the pressurizing step may be 50% or less.

본 발명에 따른 전기화학소자용 분리막은 15 내지 45 ㎛의 두께를 만족하고, 상기 식 1로 정의되는 값이 1 내지 18%이하이며, 압축 후 저항 상승률이 50% 이하인 것으로, 실리콘계 활물질을 포함하는 음극의 팽창에 따라 분리막이 압축되는 경우에도 분리막이 변형되거나 손상되지 않는다.The separator for electrochemical devices according to the present invention satisfies a thickness of 15 to 45 ㎛, the value defined by Equation 1 above is 1 to 18% or less, and the resistance increase rate after compression is 50% or less, and contains a silicon-based active material. Even when the separator is compressed as the cathode expands, the separator is not deformed or damaged.

따라서, 상기 분리막을 포함하는 전기화학소자는 실리콘계 음극의 사용에 따라 향상된 용량 및 에너지 밀도를 제공함과 동시에, 안정적인 사이클 특성을 제공할 수 있다.Therefore, the electrochemical device including the separator can provide improved capacity and energy density and stable cycle characteristics by using a silicon-based anode.

도 1은 본 발명의 실험예 2에서 실시예 1 및 비교예 3에 따른 파우치 셀의 충방전 사이클에 따른 충방전 효율(Coulombic efficiency)을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실험예 2에서 실시예 1 및 비교예 3에 따른 파우치 셀의 충방전 사이클에 따른 면적 용량(Areal capacity)을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 3에서 제조예 1 및 비교예 3에 따른 분리막의 압축 전후 두께를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예 3에서 (a) 제조예 1에 따른 분리막의 이온 전도도와 (b) 비교예 3에 따른 분리막의 이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 3에서 (a) 제조예 1에 따른 분리막의 가압 전 SEM 이미지, (b) 제조예 1에 따른 분리막의 가압 후 SEM 이미지, (c) 비교예 3에 따른 분리막의 가압 전 SEM 이미지, (d) 비교예 3에 따른 분리막의 가압 후 SEM 이미지이다.
Figure 1 is a graph showing the charge/discharge efficiency (Coulombic efficiency) according to the charge/discharge cycle of the pouch cell according to Example 1 and Comparative Example 3 in Experimental Example 2 of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the areal capacity according to the charge/discharge cycle of the pouch cell according to Example 1 and Comparative Example 3 in Experimental Example 2 of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the thickness of the separator according to Preparation Example 1 and Comparative Example 3 before and after compression in Experimental Example 3 of the present invention.
Figure 4 is a graph showing (a) the ionic conductivity of the separator according to Preparation Example 1 and (b) the ionic conductivity of the separator according to Comparative Example 3 in Experimental Example 3 of the present invention.
Figure 5 shows (a) an SEM image of the separator according to Preparation Example 1 before pressurization, (b) an SEM image of the separator according to Preparation Example 1 after pressurization, and (c) the separator according to Comparative Example 3 in Experimental Example 3 of the present invention. (d) SEM image before pressurization, (d) SEM image after pressurization of the separator according to Comparative Example 3.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.Hereinafter, each configuration of the present invention will be described in more detail so that those skilled in the art can easily implement it. However, this is only an example, and the scope of rights of the present invention is determined by the following contents. Not limited.

본 명세서에 사용된 "포함한다"는 용어는 본 발명에 유용한 재료, 조성물, 장치, 및 방법들을 나열할 때 사용되며 그 나열된 예에 제한되는 것은 아니다.As used herein, the term “comprising” is used to list materials, compositions, devices, and methods useful in the present invention and is not limited to the listed examples.

본 명세서에 사용된 "약", "실질적으로"는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.As used herein, “about” and “substantially” are used to mean a range or approximation of a number or degree, taking into account inherent manufacturing and material tolerances, and are provided as precise or absolute values to aid understanding of the present invention. is used to prevent infringers from unfairly using the mentioned disclosure.

본 명세서에 사용된 "전기화학소자"는 일차 전지, 이차 전지, 슈퍼 캐퍼시터 등을 의미할 수 있다.As used herein, “electrochemical device” may mean a primary battery, secondary battery, super capacitor, etc.

본 명세서에 사용된 "입경"은 다른 특별한 기재가 없는 한 입경에 따른 입자 개수 누적 분포에서 50%에 해당하는 입경인 D50을 의미한다.As used herein, “particle size” means D50, which is the particle size corresponding to 50% of the cumulative distribution of particle numbers according to particle size, unless otherwise specified.

본 명세서에 사용된 "분자량"은 다른 특별한 기재가 없는 한 중량 평균 분자량(Mw)을 의미하며, 중량 평균 분자량은 단분산 폴리스티렌 중합체를 표준 물질로 하여 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에 의해 측정한 폴리스티렌 환산 분자량에 해당한다.As used herein, “molecular weight” refers to the weight average molecular weight (Mw), unless otherwise specified, and the weight average molecular weight is polystyrene measured by gel permeation chromatography (GPC) using monodisperse polystyrene polymer as a standard material. Corresponds to the converted molecular weight.

본 발명의 일 실시예는 실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자의 분리막 제조 방법으로서, 무기물 입자를 포함하는 제1 방사액 및 바인더 고분자를 포함하는 제2 방사액을 동시에 전기 방사하여 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. One embodiment of the present invention is a method of manufacturing a separator for an electrochemical device containing a silicon-based cathode, wherein a free-standing porous separator is produced by simultaneously electrospinning a first spinning solution containing inorganic particles and a second spinning solution containing a binder polymer. A method including forming steps is provided.

종래의 다공성 분리막은 다공성 기재의 적어도 일면에 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 코팅층을 형성하는 것으로, 상기 다공성 기재는 건식 또는 습식 공정을 통해 제조한 폴리올레핀 기재나 부직포를 사용하였다. 상기 프리스탠딩 다공성 분리막은 상기와 같은 다공성 기재 없이, 무기물 입자와 바인더 고분자를 이용하여 기공 구조가 형성된 분리막을 의미한다. 다공성 기재를 포함하지 않는 분리막은 무기물 입자와 바인더 고분자만으로 그 외형을 형성함에 따라 외력에 취약하고 내압축성이 낮을 수 있다.A conventional porous separator forms a coating layer containing inorganic particles and a binder polymer on at least one side of a porous substrate, and the porous substrate uses a polyolefin substrate or nonwoven fabric manufactured through a dry or wet process. The freestanding porous separator refers to a separator in which a pore structure is formed using inorganic particles and a binder polymer without a porous substrate as described above. A separator that does not contain a porous substrate may be vulnerable to external forces and have low compression resistance as its outer shape is formed only with inorganic particles and binder polymers.

본 발명의 일 실시예는 폴리올레핀 기재의 사용 없이 바인더 대비 무기물 입자의 함량을 높게 구성하여 우수한 내압축성을 갖는 프리스탠딩 다공성 분리막을 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예는 상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계에서 상기 제1 방사액의 유량이 상기 제2 방사액의 유량보다 많은 것이다. One embodiment of the present invention provides a free-standing porous separator having excellent compression resistance by composing a high content of inorganic particles compared to the binder without using a polyolefin substrate. Specifically, in one embodiment of the present invention, the flow rate of the first spinning solution is greater than the flow rate of the second spinning solution in the step of forming the freestanding porous separator.

내압축성은 분리막을 일정한 조건에서 가압하기 전후의 저항 상승률이나 두께 비율로 나타낼 수 있다. 내압축성이 우수하다는 것은 내압축성이 낮아 분리막을 가압하더라도 원래의 기공 구조를 유지하여 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있음을 의미한다. 또한, 내압축성이 우수하다는 것은 외력에 대한 내구도가 우수하여 분리막의 변형이나 손상이 최소화되거나 일어나지 않는 것을 의미한다. Compression resistance can be expressed by the resistance increase rate or thickness ratio before and after pressurizing the separator under certain conditions. Excellent compression resistance means that even when the separator is pressed due to low compression resistance, the original pore structure is maintained and lithium ions can move smoothly. In addition, excellent compression resistance means excellent durability against external forces, so that deformation or damage to the separator is minimized or does not occur.

본 발명의 일 실시예는 프리스탠딩 다공성 분리막을 전기 방사로 제조함으로써, 다이 코팅, 바 코팅, 딥 코팅, 롤 코팅 등 다른 제조 방법 대비 상대적으로 적은 함량의 바인더 고분자를 사용할 수 있다. 이를 통해, 바인더 고분자의 함량은 줄이고, 상대적으로 높은 무기물 입자 함량을 갖는 분리막을 제조할 수 있다. 동시에, 전기 방사는 상기 다른 제조 방법 대비 무기물 입자의 균일한 분포를 달성할 수 있어서, 실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자에 사용하기에 적합한 물성의 분리막을 제조하는 데에 적합하다. In one embodiment of the present invention, a freestanding porous separator is manufactured by electrospinning, so that a relatively small amount of binder polymer can be used compared to other manufacturing methods such as die coating, bar coating, dip coating, and roll coating. Through this, the content of the binder polymer can be reduced and a separator with a relatively high inorganic particle content can be manufactured. At the same time, electrospinning can achieve uniform distribution of inorganic particles compared to other manufacturing methods, and is therefore suitable for manufacturing a separator with properties suitable for use in electrochemical devices containing a silicon-based cathode.

상기 실리콘계 음극은 Si, SiOx (0<x<2), SiC 및 Si 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 실리콘계 활물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 Si 합금은 LiSi 합금, CoSi 합금 또는 TiSi 합금을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 실리콘계 활물질은 전체 중량 대비 순수한 Si를 50 중량% 이상으로 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 실리콘계 활물질은 순수한 Si만으로 이루어진 것일 수 있다.The silicon-based negative electrode may include one or more silicon-based active materials selected from the group consisting of Si, SiOx (0<x<2), SiC, and Si alloy. For example, the Si alloy may include LiSi alloy, CoSi alloy, or TiSi alloy. Preferably, the silicon-based active material may contain 50% by weight or more of pure Si relative to the total weight. More preferably, the silicon-based active material may be composed only of pure Si.

전기 방사는 고분자 용액이 토출되는 노즐과 상기 노즐로부터 토출되는 고분자 용액이 수집되는 집전판(collector) 사이에 전압을 인가하여 수행할 수 있다. 상기 노즐은 고분자 용액을 저장하는 주사기(syringe) 등의 용기에 연결되어 상기 고분자 용액을 미리 정해진 유량으로 공급받을 수 있다. 상기 노즐은 양전하 또는 음전하로 하전되고, 상기 집전판은 상기 노즐과는 반대 전하로 하전되거나 접지될 수 있다. 예를 들어, 상기 집전판은 고분자 용액이 섬유 형태로 방사되는 것을 수집하는 금속 소재의 평판일 수 있으나, 그 형상이나 크기가 제한되는 것은 아니다.Electrospinning can be performed by applying voltage between a nozzle through which a polymer solution is discharged and a current collector through which the polymer solution discharged from the nozzle is collected. The nozzle is connected to a container such as a syringe that stores the polymer solution, so that the polymer solution can be supplied at a predetermined flow rate. The nozzle may be charged with a positive or negative charge, and the current collector plate may be charged with an opposite charge to the nozzle or may be grounded. For example, the current collector plate may be a metal plate that collects the polymer solution radiated in the form of fibers, but its shape or size is not limited.

먼저, 상기 노즐의 끝단에는 표면 장력에 의해 유지되는 고분자의 액적이 맺힐 수 있다. 이때, 상기 노즐에 약 10 내지 30kV의 고전압을 인가하면, 상기 고분자 액적의 표면 장력보다 외부 전기장에 의한 쿨롱 력(Coulomb's force)이 더 커질 수 있으며, 상기 고분자 액적은 원뿔 형상(Taylor cone)을 나타낼 수 있다. 바람직하게는, 상기 노즐에 약 12 내지 18kV의 고전압을 인가하여 고분자 섬유의 제트(jet)가 상기 원뿔 형상의 고분자 액적으로부터 방사 및 연신될 수 있으며, 상기 고분자 섬유는 상기 집전판 방향으로 이동하여 모인 후 응고될 수 있다.First, polymer droplets maintained by surface tension may form at the tip of the nozzle. At this time, when a high voltage of about 10 to 30 kV is applied to the nozzle, Coulomb's force due to an external electric field may be greater than the surface tension of the polymer droplet, and the polymer droplet may exhibit a cone shape (Taylor cone). You can. Preferably, by applying a high voltage of about 12 to 18 kV to the nozzle, a jet of polymer fibers can be spun and stretched from the cone-shaped polymer droplets, and the polymer fibers move in the direction of the current collector and are collected. It may coagulate afterward.

상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계는 무기물 입자를 포함하는 제1 방사액을 제조하는 것을 포함한다. 상기 제1 방사액은 무기물 입자를 분산매와 혼합한 무기물 입자의 분산액일 수 있다.The step of forming the freestanding porous separator includes preparing a first spinning solution containing inorganic particles. The first spinning solution may be a dispersion of inorganic particles mixed with a dispersion medium.

상기 무기물 입자는 평균 입경(D50)이 10 내지 1,000 nm인 무기물 나노입자일 수 있고, 바람직하게는 10 내지 500 nm일 수 있고, 보다 바람직하게는 200 내지 300 nm일 수 있다. 무기물 입자는 후술할 바인더 고분자에 의해 인접한 무기물 입자와 연결 및 고정될 수 있으며, 무기물 입자 사이의 인터스티셜 볼륨 (interstitial volume)이 분리막의 기공으로서 형성될 수 있다. 무기물 입자의 평균 입경이 상기 범위에 포함되는 경우, 분리막에 균일한 기공이 형성될 수 있다. 보다 균일한 기공을 갖는 분리막은 리튬 이온의 이동이 용이하고 전해액의 함침율이 높아져 전지의 성능 향상에 기여할 수 있다.The inorganic particles may be inorganic nanoparticles having an average particle diameter (D50) of 10 to 1,000 nm, preferably 10 to 500 nm, and more preferably 200 to 300 nm. The inorganic particles may be connected to and fixed to adjacent inorganic particles by a binder polymer, which will be described later, and the interstitial volume between the inorganic particles may be formed as pores of the separator. When the average particle diameter of the inorganic particles is within the above range, uniform pores can be formed in the separator. A separator with more uniform pores facilitates the movement of lithium ions and increases the impregnation rate of the electrolyte solution, which can contribute to improving battery performance.

상기 무기물 입자는 SiO2, Al2O3, AlOOH, TiO2, ZrO2, BaSO4, BaTiO3, ZnO, MgO, Mg(OH)2, Al(OH)3, Pb(Zr,Ti)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, Y2O3, SiC, ZnSn(OH)6, Zn2SnO4, ZnSnO3, Sb2O3, Sb2O4 및 Sb2O5으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 무기물은 전기화학적으로 안정하여 전기화학소자의 작동 전압 범위 내에서 화학적 반응이 일어나지 않는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 무기물은 SiO2, Al2O3, AlOOH, TiO2, ZrO2 및 Al(OH)3로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.The inorganic particles are SiO 2 , Al 2 O 3 , AlOOH, TiO 2 , ZrO 2 , BaSO 4 , BaTiO 3 , ZnO, MgO, Mg(OH) 2 , Al(OH) 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 , Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), HfO 2 , SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, NiO, CaO, Y 2 O 3 , SiC, ZnSn( OH) 6 , Zn 2 SnO 4 , ZnSnO 3 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 and Sb 2 O 5 It may include one or more selected from the group consisting of. The inorganic material may be electrochemically stable so that no chemical reaction occurs within the operating voltage range of the electrochemical device. Preferably, the inorganic material may be one or more selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 , AlOOH, TiO 2 , ZrO 2 and Al(OH) 3 .

상기 분산액은 상기 무기물 입자와 상기 분산매가 혼합되어 형성되는 콜로이드 용액일 수 있다. 상기 분산매는 실질적으로 상기 무기물 입자를 용해시키지 않는 물, 알코올 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 분산매는 상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계 이후 증발하여 분리막에는 잔류하지 않는 것일 수 있다.The dispersion may be a colloidal solution formed by mixing the inorganic particles and the dispersion medium. The dispersion medium may be water or alcohol that does not substantially dissolve the inorganic particles, but is not limited thereto. The dispersion medium may evaporate after forming the free-standing porous separator and not remain in the separator.

상기 제1 방사액은 전체 중량에 대해 상기 무기물 입자를 약 5 내지 15 중량%로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 무기물 입자의 함량은 약 8 내지 12 중량%일 수 있다. 무기물 입자는 상기 함량 범위에서 분산매에 대한 균일한 분산성을 나타내며, 분리막에서 균일한 무기물의 분포를 달성할 수 있다.The first spinning solution may contain about 5 to 15% by weight of the inorganic particles based on the total weight. Preferably, the content of the inorganic particles may be about 8 to 12% by weight. The inorganic particles exhibit uniform dispersibility in the dispersion medium within the above content range, and uniform distribution of the inorganic material in the separation membrane can be achieved.

상기 제1 방사액은 상기 무기물 입자 이외에도 고분자를 더 포함하여 점성을 가질 수 있다. 상기 고분자는 본 발명에서 바인더 고분자로 사용될 수 있는 고분자 중 하나 이상일 수 있으나, 상기 제2 방사액에 사용되는 바인더 고분자와는 상이한 것일 수도 있다.The first spinning solution may further contain polymers in addition to the inorganic particles and may have viscosity. The polymer may be one or more of the polymers that can be used as a binder polymer in the present invention, but may be different from the binder polymer used in the second spinning solution.

상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계는 바인더 고분자를 포함하는 제2 방사액을 제조하는 것을 포함한다. 상기 제2 방사액은 바인더 고분자가 용매에 용해된 바인더 고분자 용액일 수 있다.The step of forming the freestanding porous separator includes preparing a second spinning solution containing a binder polymer. The second spinning solution may be a binder polymer solution in which the binder polymer is dissolved in a solvent.

상기 바인더 고분자는 분자량이 100,000 내지 200,000인 고분자일 수 있고, 바람직하게는 120,000 내지 180,000일 수 있고, 보다 바람직하게는 140,000 내지 160,000일 수 있다. 바인더 고분자의 분자량이 상기 범위보다 낮으면, 섬유의 형상을 유지한 상태로 전기 방사가 이루어지지 못한다. 바인더 고분자의 분자량이 상기 범위보다 높으면 제2 방사액의 점도가 높아져 원활한 전기 방사가 이루어지지 못한다.The binder polymer may have a molecular weight of 100,000 to 200,000, preferably 120,000 to 180,000, and more preferably 140,000 to 160,000. If the molecular weight of the binder polymer is lower than the above range, electrospinning cannot be performed while maintaining the shape of the fiber. If the molecular weight of the binder polymer is higher than the above range, the viscosity of the second spinning solution increases, preventing smooth electrospinning.

상기 바인더 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutylene terephthalate), 폴리아미드(polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리술폰(polysulfone), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVdF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리이소프렌(polyisoprene), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide; PEO), 폴리프로필렌옥사이드(polypropylene oxide), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone; PVP), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide) 및 그 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 바람직하게는, 상기 바인더 고분자는 150 내지 200℃에서 내열성이 우수한 고분자일 수 있으며, 제조되는 분리막의 열 안정성이 우수하고 전기화학소자의 내부 단락을 방지할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 바인더 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리페닐렌옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.The binder polymer is polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate, polyamide, polyimide, polyetherimide, polysulfone, poly polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyisoprene, polyethylene oxide (PEO) , polypropylene oxide, polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polystyrene, polyacrylic acid, polymethyl methacrylate It may be one or more selected from the group consisting of methacrylate (PMMA), polyacrylamide, and derivatives thereof. Preferably, the binder polymer may be a polymer that has excellent heat resistance at 150 to 200°C, and the manufactured separator has excellent thermal stability and can prevent internal short circuit of the electrochemical device. More preferably, the binder polymer may be at least one selected from the group consisting of polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, and polyphenylene oxide.

상기 용매는 알코올, 아세톤, 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide; DMAc), 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF), 메틸렌클로라이드(methylenechloride) 등 하나 이상의 유기 용매일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 용매는 상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계 이후 증발하여 분리막에는 잔류하지 않는 것일 수 있다.The solvent may be one or more organic solvents such as alcohol, acetone, dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), and methylene chloride, but is not limited thereto. The solvent may evaporate after forming the free-standing porous separator and not remain in the separator.

상기 제2 방사액은 전체 중량에 대해 상기 바인더 고분자를 약 5 내지 20 중량%로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 바인더 고분자의 함량은 약 5 내지 12 중량%일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 바인더 고분자의 함량은 약 8 내지 10 중량%일 수 있다. 바인더 고분자의 함량이 상기 범위보다 낮으면 제2 방사액의 점도가 낮아져 전기 방사시 섬유 형상을 유지할 수 없다. 바인더 고분자의 함량이 상기 범위보다 높으면 제2 방사액의 점도가 높아져 원활한 전기 방사가 이루어지지 못한다.The second spinning solution may contain about 5 to 20% by weight of the binder polymer based on the total weight. Preferably, the content of the binder polymer may be about 5 to 12% by weight. More preferably, the content of the binder polymer may be about 8 to 10% by weight. If the content of the binder polymer is lower than the above range, the viscosity of the second spinning solution is lowered and the fiber shape cannot be maintained during electrospinning. If the content of the binder polymer is higher than the above range, the viscosity of the second spinning solution increases, preventing smooth electrospinning.

제1 방사액의 제조와 제2 방사액의 제조는 동시 또는 순서에 무관하게 이시에 이루어질 수 있다.Preparation of the first spinning solution and preparation of the second spinning solution may be performed simultaneously or in any order.

프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계는 상기 제1 방사액과 상기 제2 방사액을 동시에 전기 방사하여 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 것이다.The step of forming a free-standing porous separator is to form a free-standing porous separator by simultaneously electrospinning the first spinning solution and the second spinning solution.

상기 제1 방사액과 상기 제2 방사액은 각각 노즐이 구비된 용기에 저장되었다가, 하나의 집전판에 대해 전기 방사되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 용기는 주사기일 수 있고, 상기 제1 방사액이 저장된 주사기의 주사 유량은 상기 제2 방사액이 저장된 주사 유량보다 많을 수 있다. 상기 제1 방사액과 상기 제2 방사액의 전기 방사 방법은, 제조되는 분리막에서 무기물 입자와 바인더 고분자가 균일하게 분포하도록 할 수 있는 것이면 제한되지 않는다. 바람직하게는, 상기 제1 방사액과 상기 제2 방사액은 상기 집전판 상에서 서로 잘 혼합되어 평판 형상이 되도록 방사되는 것일 수 있다.The first spinning liquid and the second spinning liquid may each be stored in a container equipped with a nozzle and then electrospun on one current collector plate. For example, the container may be a syringe, and the injection flow rate of the syringe in which the first radiation solution is stored may be higher than the injection flow rate in which the second radiation solution is stored. The electrospinning method of the first spinning solution and the second spinning solution is not limited as long as it can ensure uniform distribution of inorganic particles and binder polymer in the manufactured separator. Preferably, the first spinning liquid and the second spinning liquid may be well mixed with each other on the current collector plate and spun to form a flat plate shape.

상기 제1 방사액은 80 ㎕/min 이상의 유량으로 전기 방사될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 방사액은 80 내지 100 ㎕/min의 유량으로 전기 방사될 수 있다. 분리막 중에 포함되는 무기물 입자의 함량은 제1 방사액의 전기 방사 유량에 의해 결정될 수 있다. 제1 방사액의 전기 방사 유량이 상기 범위보다 낮으면 분리막 중에서 저항체로 작용하는 바인더 고분자의 함량 증가로 전기화학소자의 성능이 저하된다. 제1 방사액의 전기 방사 유량이 상기 범위보다 낮으면 바인더 고분자의 함량 증가로 분리막의 내압축성이 저하되어 실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자에 대해 적용할 수 없게 된다.The first spinning solution may be electrospun at a flow rate of 80 μl/min or more. Preferably, the first spinning solution may be electrospun at a flow rate of 80 to 100 μl/min. The content of inorganic particles contained in the separation membrane may be determined by the electrospinning flow rate of the first spinning solution. If the electrospinning flow rate of the first spinning solution is lower than the above range, the performance of the electrochemical device deteriorates due to an increase in the content of the binder polymer that acts as a resistor in the separator. If the electrospinning flow rate of the first spinning solution is lower than the above range, the compression resistance of the separator decreases due to an increase in the binder polymer content, making it impossible to apply to an electrochemical device including a silicon-based cathode.

상기 제2 방사액은 1 ㎕/min 이상의 유량으로 전기 방사될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제2 방사액은 1 내지 10 ㎕/min의 유량으로 전기 방사될 수 있다. 제2 방사액의 전기 방사 유량이 상기 범위보다 높으면 제조되는 분리막은 충분한 내압축성을 확보할 수 없어서, 실리콘계 음극을 사용하는 전기화학소자에 적용할 수 없게 된다.The second spinning solution may be electrospun at a flow rate of 1 μl/min or more. Preferably, the second spinning solution may be electrospun at a flow rate of 1 to 10 μl/min. If the electrospinning flow rate of the second spinning solution is higher than the above range, the produced separator cannot secure sufficient compression resistance and cannot be applied to an electrochemical device using a silicon-based cathode.

상기 제1 방사액 및 상기 제2 방사액은 섬유 형태로 방사되어 상기 집전판에 모일 수 있다. 상기 분리막의 제조 방법은 상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계 이후에 상온에서 방치하거나 상온 내지 60℃의 온도의 오븐에서 건조하여 전기 방사 과정에서 증발하지 않고 잔존하는 용매와 분산액을 증발시켜 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. The first spinning solution and the second spinning solution may be spun in the form of fibers and collected on the current collector plate. The method of manufacturing the separator includes leaving the freestanding porous separator at room temperature or drying it in an oven at room temperature to 60° C. to evaporate and remove the remaining solvent and dispersion that did not evaporate during the electrospinning process. It may further include.

상게 전기화학소자용 분리막의 제조 방법은 상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계에서 형성된 분리막을 25 내지 60℃에서 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing a separator for an electrochemical device may further include pressurizing the separator formed in the step of forming the free-standing porous separator at 25 to 60°C.

상기 분리막을 가압하는 단계는 상기 형성된 분리막을 10 내지 50%의 압연율로 압연 후 분리막의 두께가 15 내지 45 ㎛가 되도록 압연기로 압연하는 것일 수 있다. 상기 압연 온도, 압력 및 압연율의 범위를 벗어나면 분리막에 포함된 무기물 입자가 파괴될 수 있다. 상기 압연기는 상부 및 하부 롤이 회전하는 사이에 분리막을 주입하여 압연하는 롤 압연기일 수 있다. 바람직하게는, 상기 분리막을 가압하는 단계는 분리막을 압연기로 25 내지 40%로 압연하여 압연 후 분리막의 두께가 20 내지 40 ㎛일 수 있다. The step of pressurizing the separator may include rolling the formed separator at a rolling rate of 10 to 50% and then rolling it with a rolling mill so that the thickness of the separator is 15 to 45 ㎛. If the rolling temperature, pressure, and rolling rate are outside the range, the inorganic particles contained in the separator may be destroyed. The rolling mill may be a roll rolling mill that injects and rolls a separator while the upper and lower rolls rotate. Preferably, the step of pressurizing the separator may include rolling the separator to 25 to 40% in a rolling mill so that the thickness of the separator after rolling is 20 to 40 ㎛.

상기와 같은 방법에 따라 제조된 전기화학소자용 분리막은 다공성 기재에 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 코팅층을 형성하지 않는 프리스탠딩 다공성 분리막으로서, 바인더 고분자 대비 무기물 입자의 함량이 높고 무기물 입자가 상기 분리막 중에 균일하게 분산된다. 상기 분리막은 실리콘계 활물질을 포함하는 음극의 팽창에도 변형이나 손상이 일어나지 않으며, 내압축성이 우수하여 전기화학소자의 충방전을 반복하여도 저항 상승률은 50% 이하로 유지될 수 있다.The separator for electrochemical devices manufactured according to the method described above is a free-standing porous separator that does not form a coating layer containing inorganic particles and binder polymer on a porous substrate, and has a high content of inorganic particles compared to the binder polymer, and the inorganic particles are contained in the separator. distributed evenly throughout the body. The separator is not deformed or damaged even when the negative electrode containing the silicon-based active material expands, and has excellent compression resistance, so the resistance increase rate can be maintained below 50% even when the electrochemical device is repeatedly charged and discharged.

본 발명의 또 다른 일 실시예는 실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자의 분리막을 제공한다. 상기 분리막은 폴리올레핀 기재를 포함하지 않는 프리스탠딩 다공성 분리막이며, 바인더 고분자 및 무기물 입자를 포함하되, 상기 바인더 고분자보다 상기 무기물 입자를 과량으로 포함한다. 상기 분리막은 상기와 앞선 실시예에 따른 분리막의 제조 방법에 따라 제조된 것일 수 있으며, 앞선 실시예에서와 동일한 설명은 상기 실시예의 설명으로 갈음한다.Another embodiment of the present invention provides a separator for an electrochemical device including a silicon-based cathode. The separator is a free-standing porous separator that does not contain a polyolefin substrate, and includes a binder polymer and inorganic particles, with the inorganic particles in excess of the binder polymer. The separator may be manufactured according to the separator manufacturing method according to the above and previous embodiments, and the same description as in the previous embodiment is replaced with the description of the above embodiment.

상기 분리막은 무기물 입자를 포함하는 제1 방사액과 바인더 고분자를 포함하는 제2 방사액을 동시에 전기 방사하여 제조되는 것이다. 전기 방사시 상기 제1 방사액과 상기 제2 방사액의 유량을 조절하여 분리막에 포함되는 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량을 조절할 수 있다. 분리막을 제조할 때, 상기 제1 방사액의 전기 방사 유량을 상기 제2 방사액의 전기 방사 유량보다 크게 하여, 상기 무기물 입자를 상기 바인더 고분자 대비 과량으로 포함시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막은 상기 분리막의 전체 중량 대비 상기 무기물을 60 내지 95 중량%로 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 분리막은 전체 중량 대비 상기 무기물을 85 내지 95 중량%로 포함할 수 있다. 무기물의 함량이 상기 범위에 포함되는 경우, 분리막은 실리콘계 음극을 사용하는 전기화학소자에서 사용할 수 있는 내압축성을 제공할 수 있다.The separator is manufactured by simultaneously electrospinning a first spinning solution containing inorganic particles and a second spinning solution containing a binder polymer. During electrospinning, the flow rates of the first spinning solution and the second spinning solution can be adjusted to control the content of inorganic particles and binder polymer contained in the separator. When manufacturing a separator, the electrospinning flow rate of the first spinning solution may be greater than the electrospinning flow rate of the second spinning solution, so that the inorganic particles may be included in excess compared to the binder polymer. Specifically, the separator may contain 60 to 95% by weight of the inorganic material relative to the total weight of the separator. Preferably, the separator may contain 85 to 95% by weight of the inorganic material relative to the total weight. When the inorganic content is within the above range, the separator can provide compression resistance that can be used in an electrochemical device using a silicon-based anode.

상기 분리막의 두께는 15 내지 45 ㎛일 수 있다. 바람직하게는, 상기 분리막의 두께는 20 내지 40 ㎛일 수 있다. 분리막의 두께가 상기 범위에 포함되는 경우, 실리콘계 활물질을 포함하는 음극의 팽창에 의한 분리막의 변형이나 손상이 최소화될 수 있다. 분리막의 두께가 상기 범위보다 낮으면 분리막의 팽창에 의해 분리막이 손상될 수 있다. 분리막의 두께가 상기 범위보다 높으면 상기 분리막을 통한 리튬 이온의 이동이 어려워진다.The thickness of the separator may be 15 to 45 ㎛. Preferably, the thickness of the separator may be 20 to 40 ㎛. When the thickness of the separator is within the above range, deformation or damage to the separator due to expansion of the negative electrode containing the silicon-based active material can be minimized. If the thickness of the separator is lower than the above range, the separator may be damaged due to expansion of the separator. If the thickness of the separator is higher than the above range, it becomes difficult to move lithium ions through the separator.

상기 분리막은 압축 전후의 저항 상승률이 50% 이하일 수 있다. 예를 들어, 분리막은 면 압연기(Rhotec사, pressing machine, V-30)를 이용하여 70℃, 5.2MPa의 조건으로 10초 동안 압축하였을 때, 압축 전후 저항 변화가 0.01 내지 1 옴(Ohm) 이내일 수 있다.The separator may have a resistance increase rate of 50% or less before and after compression. For example, when the separator is compressed for 10 seconds at 70°C and 5.2 MPa using a cotton rolling mill (Rhotec, pressing machine, V-30), the change in resistance before and after compression is within 0.01 to 1 Ohm. It can be.

상기 분리막은 하기 식 1로 정의되는 압축 전후의 두께 변화율이 18% 이하일 수 있다. 바람직하게는, 분리막은 압축 전후의 두께 변화율이 1 내지 18%일 수 있다. 보다 바람직하게는 압축 전후의 두께 변화율이 1 내지 15%일 수 있다.The separation membrane may have a thickness change rate of 18% or less before and after compression, as defined by Equation 1 below. Preferably, the separation membrane may have a thickness change rate of 1 to 18% before and after compression. More preferably, the thickness change rate before and after compression may be 1 to 15%.

[식 1][Equation 1]

(T1 - T2) / T1 X 100(T1 - T2) / T1

상기 식 1에서,In equation 1 above,

상기 T1은 상기 분리막의 초기 두께이고,T1 is the initial thickness of the separator,

상기 T2는 상기 분리막을 면 압연기(Rhotec사 pressing machine V-30)에서 5.2MPa, 70℃, 10초 동안 누른 후의 두께를 의미한다.The T2 refers to the thickness of the separator after pressing it in a cotton rolling mill (Rhotec pressing machine V-30) at 5.2 MPa, 70°C, and 10 seconds.

상기 저항 상승률이나 상기 두께 변화율 범위를 만족하는 분리막은 가압 전후로 기공 구조를 유지하여 리튬 이온의 원활한 이동이 가능하고, 실리콘계 활물질을 포함하는 음극이 팽창하더라도 분리막의 변형이나 손상이 최소화되거나 일어나지 않을 수 있다.A separator that satisfies the resistance increase rate or the thickness change rate range maintains its pore structure before and after pressurization, enabling smooth movement of lithium ions, and even if the negative electrode containing the silicon-based active material expands, deformation or damage to the separator may be minimized or not occur. .

상기 분리막은 150℃ 이상의 고온에서 치수 변화가 실질적으로 일어나지 않을 수 있으며, 부피 변화율은 1.5% 이하일 수 있다.The separator may not substantially change in dimensions at a high temperature of 150°C or higher, and the volume change rate may be 1.5% or less.

상기 분리막은 평균 크기 500 내지 1,000 nm의 기공을 가질 수 있으며, 50 내지 60%의 기공도를 가질 수 있다. 상기 분리막은 통기도가 100 sec/100cc 이하로 나타나는 공극률을 가질 수 있다.The separator may have pores with an average size of 500 to 1,000 nm and a porosity of 50 to 60%. The separator may have a porosity of 100 sec/100cc or less in air permeability.

본 발명의 또 다른 일 실시예는 양극, 실리콘계 음극, 상기와 같은 분리막 및 전해액을 포함하는 전기화학소자를 제공한다. 예를 들어, 상기 전기화학소자는 리튬 이온을 제공하는 양극을 포함하는 리튬 이차 전지일 수 있다.Another embodiment of the present invention provides an electrochemical device including an anode, a silicon-based cathode, a separator as described above, and an electrolyte solution. For example, the electrochemical device may be a lithium secondary battery including a positive electrode that provides lithium ions.

양극, 음극, 분리막 및 전해액을 케이스나 파우치에 삽입하고 밀봉하여 전기화학소자를 제조할 수 있다. 상기 케이스나 파우치의 형상은 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 전기화학소자는 원통형, 각형, 코인형, 파우치형 리튬 이차 전지일 수 있다.An electrochemical device can be manufactured by inserting the anode, cathode, separator, and electrolyte into a case or pouch and sealing it. The shape of the case or pouch is not limited. For example, the electrochemical device may be a cylindrical, prismatic, coin-shaped, or pouch-shaped lithium secondary battery.

상기 리튬 이차 전지는 단위셀로서 팩 또는 모듈화되어 전기자동차(BEV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV), 전기원동기장치자전거, 전력저장장치 등에 사용될 수 있다.The lithium secondary battery can be packed or modularized as a unit cell and used in electric vehicles (BEV), hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrid vehicles (PHEV), electric motor bicycles, power storage devices, etc.

이하에서는, 구체적인 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Below, the present invention will be described in more detail through specific examples and experimental examples. The following examples and experimental examples are intended to illustrate the present invention, and the present invention is not limited by the following examples and experimental examples.

제조예 1Manufacturing Example 1

분리막의 제조Manufacture of separation membrane

바인더로 중량 평균 분자량이 150,000인 폴리아크릴로니트릴(PAN) 1.8 g을 디메틸포름아미드(DMF) 18.2 g에 투입한 뒤 70℃에서 250rpm조건으로 교반하여 상기 바인더의 용액인 제1 방사액을 제조하였다. 제1 방사액을 노즐이 연결된 10 mL 제1 주사기에 투입하였다.As a binder, 1.8 g of polyacrylonitrile (PAN) with a weight average molecular weight of 150,000 was added to 18.2 g of dimethylformamide (DMF) and stirred at 70°C at 250 rpm to prepare the first spinning solution, which is a solution of the binder. . The first spinning solution was injected into the first 10 mL syringe to which the nozzle was connected.

무기물로 평균 입경(D50)이 450 nm인 알루미나(Al2O3) 2.0 g을 부탄올(n-butanol) 5.4 g 및 아세톤(Acetone) 12.6g에 투입한 뒤 상온에서 1시간 동안 비드 밀링(Bead milling)으로 분산하여 상기 무기물의 분산액인 제2 방사액을 제조하였다. 제2 방사액을 노즐이 연결된 10 mL 제2 주사기에 투입하였다.2.0 g of alumina (Al 2 O 3 ), an inorganic material with an average particle diameter (D50) of 450 nm, was added to 5.4 g of butanol (n-butanol) and 12.6 g of acetone, and then bead milled for 1 hour at room temperature. ) to prepare a second spinning solution, which is a dispersion of the inorganic material. The second spinning solution was injected into a 10 mL second syringe connected to a nozzle.

상기 제1 주사기 및 상기 제2 주사기의 노즐 아래에 10 cm × 10 cm 크기의 집전판을 배치하고, 집전판은 접지시켰다. 각 주사기의 노즐과 집전판에 18 kV의 전압을 걸고, 제1 주사기는 80 ㎕/min, 제2 주사기는 4.5 ㎕/min로 동시에 약 180분 동안 주사하여 분리막을 제조하였다. 이후, 잔존하는 용매 및 분산매의 제거를 위해 60℃, 진공 조건에서 12 시간동안 건조하였다.A current collector plate measuring 10 cm × 10 cm was placed under the nozzles of the first and second syringes, and the current collector plate was grounded. A voltage of 18 kV was applied to the nozzle and current collector of each syringe, and the first syringe was simultaneously injected at 80 μl/min and the second syringe at 4.5 μl/min for about 180 minutes to prepare a separator. Afterwards, it was dried at 60°C under vacuum conditions for 12 hours to remove the remaining solvent and dispersion medium.

상기 분리막을 롤 압연기(Rhotec 사)에 주입하고 압축하여 두께 약 30 ㎛인 분리막을 수득하였다.The separator was injected into a roll mill (Rhotec) and compressed to obtain a separator with a thickness of about 30 ㎛.

제조예 2Production example 2

제1 주사기는 90 ㎕/min, 제2 주사기는 4.5 ㎕/min로 동시에 주사한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 분리막을 제조하였다.A separator was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first syringe was simultaneously injected at 90 μl/min and the second syringe was injected at 4.5 μl/min.

제조예 3Production example 3

제1 주사기는 55 ㎕/min, 제2 주사기는 4.5 ㎕/min로 동시에 주사한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 분리막을 제조하였다.A separator was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first syringe was simultaneously injected at 55 μl/min and the second syringe was injected at 4.5 μl/min.

제조예 4Production example 4

제1 주사기는 70 ㎕/min, 제2 주사기는 4.5 ㎕/min로 동시에 주사한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 분리막을 제조하였다.A separator was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first syringe was simultaneously injected at 70 μl/min and the second syringe was injected at 4.5 μl/min.

실시예 1Example 1

양극의 제조Manufacturing of anode

양극 활물질인 리튬 망간의 복합 산화물(NCMA)을 포함하는 양극 슬러리를 알루미늄 박막에 도포하고 건조한 뒤, 롤 압연기에서 압축하여 공극률 26%, 단위면적당 용량이 4.5 mAh/cm2인 양극을 제조하였다.A positive electrode slurry containing lithium manganese complex oxide (NCMA), a positive electrode active material, was applied to an aluminum thin film, dried, and compressed in a roll mill to prepare a positive electrode with a porosity of 26% and a capacity per unit area of 4.5 mAh/cm 2 .

음극의 제조Preparation of cathode

탄소계 음극 활물질을 포함하는 음극 슬러리를 구리 박막에 도포하고 건조한 뒤, 롤 압연기에서 압축하여 공극률 40%, 단위면적당 용량이 8.5 mAh/cm2인 음극을 제조하였다.A negative electrode slurry containing a carbon-based negative electrode active material was applied to a copper thin film, dried, and compressed in a roll mill to prepare a negative electrode with a porosity of 40% and a capacity per unit area of 8.5 mAh/cm 2 .

전해액의 제조Preparation of electrolyte solution

유기 용매로서 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC)와 에틸메틸 카보네이트(EMC)를 3:7의 부피 비율로 혼합하고, LiPF6를 첨가하여 LiPF6의 농도가 1.0M인 전해액을 제조하였다.As an organic solvent, fluoroethylene carbonate (FEC) and ethylmethyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 3:7, and LiPF 6 was added to prepare an electrolyte solution with a LiPF 6 concentration of 1.0M.

전기화학소자의 제조Manufacturing of electrochemical devices

상기와 같이 제조한 양극, 음극 및 전해액과, 제조예 1에 따라 제조한 분리막을 이용하여 전기화학소자로서 파우치 형태의 모노셀(mono cell)을 제조하였다.A pouch-shaped monocell was manufactured as an electrochemical device using the anode, cathode, and electrolyte prepared as above, and the separator prepared according to Preparation Example 1.

상기 양극은 4 × 4 cm2 크기로 재단한 뒤, 상단의 0.5 × 1 cm2는 1 cm 너비를 갖는 알루미늄 탭과 웰딩하였다. 상기 음극은 4.5 × 4.5 cm2 크기로 재단한 뒤, 상단의 0.5 × 1 cm2는 1 cm 너비를 갖는 니켈 탭과 웰딩하였다. 분리막은 5 × 5 cm2 크기로 재단한 뒤, 양극, 분리막, 음극의 순서로 파우치에 넣고 파우치의 세 모서리를 250℃로 실링하여 상기 전해액 250 mL를 주액하고 진공 및 고온에서 순서대로 실링하여 파우치 셀을 제조하였다.The anode was cut to a size of 4 × 4 cm 2 , and then the 0.5 × 1 cm 2 at the top was welded with an aluminum tab having a width of 1 cm. The cathode was cut to a size of 4.5 × 4.5 cm 2 , and then the 0.5 × 1 cm 2 at the top was welded with a nickel tab having a width of 1 cm. The separator was cut to a size of 5 Cells were prepared.

실시예 2Example 2

전기화학소자의 제조시 제조예 2에 따라 제조한 분리막을 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 파우치 셀을 제조하였다.A pouch cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the separator prepared according to Preparation Example 2 was used when manufacturing the electrochemical device.

비교예 1Comparative Example 1

전기화학소자의 제조시 제조예 3에 따라 제조한 분리막을 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 파우치 셀을 제조하였다.A pouch cell was manufactured according to the same method as Example 1, except that the separator prepared according to Preparation Example 3 was used when manufacturing the electrochemical device.

비교예 2Comparative Example 2

전기화학소자의 제조시 제조예 4에 따라 제조한 분리막을 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 파우치 셀을 제조하였다.A pouch cell was manufactured according to the same method as Example 1, except that the separator prepared according to Preparation Example 4 was used when manufacturing the electrochemical device.

비교예 3Comparative Example 3

분리막의 제조Manufacture of separation membrane

무기물 입자로 알루미나와 보헤마이트와 분산제(폴리비닐피롤리돈)를 아세톤에 분산시키고, 고분자 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌, 클로로트리플루오로에틸렌을 더 첨가하여, 다공성 코팅층 형성용 슬러리를 제조하였다. 알루미나, 보헤마이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌, 클로로트리플루오로에틸렌 및 분산제는 66.3:11.7:15.5:4.5:2의 중량비로 사용하였다.Alumina, boehmite, and dispersant (polyvinylpyrrolidone) are dispersed in acetone as inorganic particles, and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene and chlorotrifluoroethylene are further added as polymer binders to form a porous coating layer. A slurry was prepared. Alumina, boehmite, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, chlorotrifluoroethylene, and dispersant were used in a weight ratio of 66.3:11.7:15.5:4.5:2.

다공성 코팅층 형성용 슬러리를 이용하여 딥(dip) 코팅법으로 두께 15㎛인 폴리에틸렌 다공성 기재를 양면 코팅하였다. 다공성 코팅층은 각 면당 4㎛ 두께로 형성하여, 전체 두께 23㎛인 분리막을 제조하였다.A polyethylene porous substrate with a thickness of 15㎛ was coated on both sides using a dip coating method using a slurry for forming a porous coating layer. The porous coating layer was formed to a thickness of 4㎛ on each side, thereby producing a separator with a total thickness of 23㎛.

전기화학소자의 제조Manufacturing of electrochemical devices

전기화학소자의 제조시 비교예 1에 따라 제조한 분리막을 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 파우치 셀을 제조하였다.A pouch cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the separator prepared according to Comparative Example 1 was used when manufacturing the electrochemical device.

실험예 1. 무기물 주사 속도에 따른 분리막 물성 및 셀 구동 여부 확인Experimental Example 1. Confirmation of separator properties and cell operation according to inorganic material injection speed

제조예 1 내지 4에 따른 분리막을 동일한 두께로 제조하였을 때, 요구되는 압연율과 분리막의 물성으로서 통기도를 확인하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.When the separators according to Preparation Examples 1 to 4 were manufactured to the same thickness, the required rolling rate and air permeability were confirmed as physical properties of the separator, and the results are shown in Table 1 below.

분리막의 두께 측정Measuring the thickness of the separator

분리막의 두께는 두께 측정기(Mitutoyo사, VL-50S-B)를 이용하여 측정하였다.The thickness of the separator was measured using a thickness gauge (Mitutoyo, VL-50S-B).

통기도 측정Breathability measurement

통기도는 Gurley densometer(Gurley사, 4110N)를 이용하여 100 cc의 공기가 직경 28.6 mm, 면적 645 mm2의 분리막을 투과하는 데에 걸리는 시간을 측정하였다.Breathability was measured using a Gurley densometer (Gurley, 4110N) to measure the time it takes for 100 cc of air to penetrate a separator with a diameter of 28.6 mm and an area of 645 mm 2 .

셀의 구동 여부 확인Check whether the cell is running

상기 분리막을 포함하는 파우치 셀을 제조(실시예 1, 2, 비교예 1, 2)하였을 때, 제1 방사액의 전기 방사 유량 차이에 따른 파우치 셀의 구동 여부를 확인 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.When the pouch cell including the separator was manufactured (Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 and 2), whether the pouch cell was operated according to the difference in the electrospinning flow rate of the first spinning solution was checked. The results are shown in Table 1 below. indicated.

구분division 제1 방사액의
전기 방사 유량
(㎛/min)
of the first spinning solution
electrospinning flow rate
(㎛/min)
분리막의 두께
(㎛)
Separator thickness
(㎛)
압연율
(%)
rolling rate
(%)
통기도
(sec/100cc)
ventilation
(sec/100cc)
셀 구동
여부
cell drive
Whether
비교예 1
(제조예 3)
Comparative Example 1
(Production Example 3)
5555 3030 6363 2525 ××
비교예 2
(제조예 4)
Comparative Example 2
(Production Example 4)
7070 3030 5050 3939 ××
실시예 1
(제조예 1)
Example 1
(Production Example 1)
8080 3030 4040 6363
실시예 2
(제조예 2)
Example 2
(Production Example 2)
9090 3030 2525 67.467.4

상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 및 2에 사용된 분리막은 무기물을 바인더 대비 과량으로 포함하여 낮은 압연율을 나타내고, 정상적인 셀 구동이 가능함을 확인하였다. 반면, 비교예 1 및 2에 사용된 분리막은 높은 압연율을 나타내며 낮은 통기도를 나타내고, 셀 구동이 불가능함을 확인하였다. 이러한 결과는, 높은 압연율로 가압하는 과정에서 무기물 입자가 파괴되어 분리막의 기공이 막히거나 균일도가 낮아진 결과임을 간접적으로 나타내는 것이다.Referring to Table 1, it was confirmed that the separator used in Examples 1 and 2 contained an excessive amount of inorganic material compared to the binder, resulting in a low rolling rate and normal cell operation. On the other hand, the separator used in Comparative Examples 1 and 2 showed a high rolling rate and low air permeability, and it was confirmed that cell operation was not possible. These results indirectly indicate that the inorganic particles were destroyed during the process of pressing at a high rolling rate, resulting in the pores of the separator being clogged or the uniformity being reduced.

실험예 2. 사이클에 따른 충방전 효율 및 용량 확인Experimental Example 2. Checking charge/discharge efficiency and capacity according to cycle

실시예 1 및 비교예 3에 따른 파우치 셀의 충방전 사이클에 따른 충방전 효율(coulombic efficiency)과 면적 용량(areal capacity)을 확인하여 도 1 및 2에 각각 나타내었다.The charge/discharge efficiency (coulombic efficiency) and area capacity (areal capacity) according to the charge/discharge cycle of the pouch cells according to Example 1 and Comparative Example 3 were confirmed and shown in Figures 1 and 2, respectively.

도 1을 참조하면, 전기 방사로 제조한 제조예 1에 따른 분리막을 포함하는 실시예 1의 파우치 셀은 500회의 충방전 사이클 동안 충방전 효율의 감소가 확인되지 않았으나, 비교예 3의 파우치 셀은 200회부터 감소하기 시작하여 500회에서는 5% 이상 감소하는 것으로 나타났다.Referring to Figure 1, the pouch cell of Example 1 including the separator according to Preparation Example 1 manufactured by electrospinning did not show a decrease in charge and discharge efficiency during 500 charge and discharge cycles, but the pouch cell of Comparative Example 3 It started to decrease from episode 200 and decreased by more than 5% at episode 500.

도 2를 참조하면, 전기 방사로 제조한 제조예 1에 따른 분리막을 포함하는 실시예 1의 파우치 셀은 200회의 충방전 사이클 동안 8% 미만의 용량 감소율을 나타낸 데에 비해, 비교예 3의 파우치 셀은 70% 이상 감소한 것으로 나타났다.Referring to FIG. 2, the pouch cell of Example 1 including the separator according to Preparation Example 1 manufactured by electrospinning showed a capacity reduction rate of less than 8% during 200 charge and discharge cycles, whereas the pouch cell of Comparative Example 3 showed a capacity reduction rate of less than 8% during 200 charge and discharge cycles. Cells were found to have decreased by more than 70%.

이러한 결과는, 규소(pure-Si)를 포함하는 음극이 팽창함에 따라 분리막에 변형이 발생하여 파우치 셀의 수명이 퇴화된 데에서 기인한 것이다.This result is due to the fact that as the cathode containing pure-Si expands, the separator is deformed and the lifespan of the pouch cell deteriorates.

실험예 3. 분리막의 압축 후 물성 확인Experimental Example 3. Confirmation of physical properties of the separator after compression

내압축 평가Compression resistance evaluation

A4 용지 2장 위에 5 × 5 cm2 면적의 PET 필름(35 ㎛) 2장을 배치하고, 상기 PET 필름 위에 5 × 5 cm2 면적의 분리막을 배치하였다. 상기 분리막 위에 다시 5 × 5 cm2 면적의 PET 필름(35 ㎛) 1장을 배치하고, PET 필름 위에 A4 용지 2장을 배치하였다. 상하로 배치된 A4 용지를 면 압연기(Rhotec사, pressing machine, V-30)를 이용하여 70℃, 5.2MPa의 조건으로 10초 동안 압력을 인가하였다.Two sheets of PET film (35 ㎛) with an area of 5 × 5 cm 2 were placed on two sheets of A4 paper, and a separator with an area of 5 × 5 cm 2 was placed on the PET film. One PET film (35 ㎛) with an area of 5 × 5 cm 2 was placed on the separator, and two sheets of A4 paper were placed on the PET film. Pressure was applied to the A4 paper arranged up and down for 10 seconds at 70°C and 5.2 MPa using a cotton rolling mill (Rhotec, pressing machine, V-30).

이온 전도도 측정Ionic conductivity measurement

SUS 스페이서(spacer)를 측정 전극(working electrode) 및 대전극(counter electrode)으로 하고, 이들 전극 사이에 내압축 평가 전후의 분리막을 지름 19 mm의 원형으로 재단하고 삽입하여 코인형의 셀(blocking cell)을 제조한 후, 임피던스를 측정하여 이온 전도도를 측정하였다.A SUS spacer was used as a working electrode and a counter electrode, and the separator before and after the compression resistance evaluation was cut into a circle with a diameter of 19 mm and inserted between these electrodes to form a coin-shaped cell (blocking cell). ) was prepared, and then the ion conductivity was measured by measuring the impedance.

제조예 1의 분리막과 비교예 3의 분리막에 대한 내압축 평가와 이온 전도도를 측정하여 그 결과를 각각 도 3 및 4에 나타내었다. 제조예 1의 분리막과 비교예 3의 분리막에 대한 내압축 평가 전후의 SEM 이미지(×20K, 10kV)를 도 5에 나타내었다.Compression resistance evaluation and ionic conductivity were measured for the separator of Preparation Example 1 and the separator of Comparative Example 3, and the results are shown in Figures 3 and 4, respectively. SEM images (×20K, 10kV) before and after compression resistance evaluation of the separator of Preparation Example 1 and Comparative Example 3 are shown in Figure 5.

도 3을 참조하면, 제조예 1의 분리막은 압축 후 두께가 약 15% 감소한 데에 비해, 비교예 3의 분리막은 압축 후 두께가 약 17% 감소한 것으로 나타났다.Referring to FIG. 3, the separator of Preparation Example 1 showed a thickness reduction of about 15% after compression, while the thickness of the separator of Comparative Example 3 decreased by about 17% after compression.

도 4의 (a)를 참조하면 제조예 1의 분리막은 압축 전후 저항 상승률이 23.6%로 나타났고, 도 4의 (b)를 참조하면 비교예 3의 분리막은 압축 전후 저항 상승률이 68.5%로 나타났다.Referring to (a) of Figure 4, the separator of Preparation Example 1 showed a resistance increase rate of 23.6% before and after compression, and referring to (b) of Figure 4, the separator of Comparative Example 3 showed a resistance increase rate of 68.5% before and after compression. .

상기와 같은 결과는 제조예 1에 따른 분리막은 내압축성이 우수하여 압축 전후의 저항 상승률이 낮게 나타난 것으로, 도 5의 SEM 이미지 관찰 결과에 부합되는 것이다. 구체적으로, 도 5의 (a) 가압 전 제조예 1에 따른 분리막과 (b) 가압 후 제조예 1에 따른 분리막은 가압 전후로 기공의 구조가 잘 유지되었다. 그러나, 도 5의 (c) 가압 전 비교예 3에 따른 분리막과 도 5의 (d) 가압 후 비교예 3에 따른 분리막을 비교할 때, 비교예 3은 가압 후 기공의 일부가 막혀버리는 등 기공의 구조가 무너진 것으로 확인되었다.The above results indicate that the separator according to Preparation Example 1 had excellent compression resistance and showed a low resistance increase rate before and after compression, which is consistent with the SEM image observation results in FIG. 5. Specifically, in Figure 5 (a) the separator according to Preparation Example 1 before pressurization and (b) the separator according to Preparation Example 1 after pressurization, the pore structure was well maintained before and after pressurization. However, when comparing the separator according to Comparative Example 3 before pressurization in (c) of FIG. 5 and the separator according to Comparative Example 3 after pressurization in (d) of FIG. 5, Comparative Example 3 shows pores such as part of the pores being blocked after pressurization. It was confirmed that the structure had collapsed.

실험예 4. 분리막의 내열성 확인Experimental Example 4. Confirmation of heat resistance of the separator

제조예 1에 따른 분리막을 150℃에서 30분 동안 방치하여 치수 변화 및 부피 변화를 확인하였다.The separator according to Preparation Example 1 was left at 150°C for 30 minutes to confirm dimensional and volume changes.

제조예 1에 따른 분리막의 부피 변화율은 0%인 것으로 나타났다.The volume change rate of the separator according to Preparation Example 1 was found to be 0%.

Claims (11)

실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자의 분리막으로서,
상기 분리막은,
폴리올레핀 기재를 포함하지 않는 프리스탠딩 다공성 분리막이며,
바인더 고분자 및 무기물 입자를 포함하되, 상기 바인더 고분자보다 상기 무기물 입자를 과량으로 포함하며,
상기 바인더 고분자의 중량 평균 분자량은 100,000 내지 200,000이고,
상기 무기물 입자의 평균 입경(D50)은 10 내지 500 nm이고,
상기 분리막은 평균 크기 500 내지 1,000 nm의 기공을 가지며, 기공도는 50 내지 60%이고, 통기도는 63 내지 67.4 sec/100cc인, 전기화학소자용 분리막.
As a separator for an electrochemical device containing a silicon-based cathode,
The separator is,
It is a free-standing porous separator that does not contain a polyolefin base,
Contains a binder polymer and inorganic particles, and contains an excess amount of the inorganic particles compared to the binder polymer,
The weight average molecular weight of the binder polymer is 100,000 to 200,000,
The average particle diameter (D50) of the inorganic particles is 10 to 500 nm,
The separator has pores with an average size of 500 to 1,000 nm, a porosity of 50 to 60%, and an air permeability of 63 to 67.4 sec/100cc.
제1항에 있어서,
상기 분리막은,
상기 분리막의 전체 중량 대비 상기 무기물 입자를 60 내지 95 중량%로 포함하는 것인, 전기화학소자용 분리막.
According to paragraph 1,
The separator is,
A separator for an electrochemical device, comprising 60 to 95% by weight of the inorganic particles relative to the total weight of the separator.
제1항에 있어서,
상기 분리막은,
15 내지 45 ㎛의 두께를 만족하고, 하기 식 1로 정의되는 값이 1 내지 18%인, 전기화학소자용 분리막:
[식 1]
(T1 - T2) / T1 × 100
상기 식 1에서,
상기 T1은 상기 분리막의 초기 두께이고,
상기 T2는 상기 분리막을 면 압연기에서 5.2MPa, 70℃로 10초 동안 누른 후의 두께를 의미한다.
According to paragraph 1,
The separator is,
A separator for an electrochemical device that satisfies a thickness of 15 to 45 ㎛ and has a value of 1 to 18% defined by the following equation 1:
[Equation 1]
(T1 - T2) / T1 × 100
In equation 1 above,
T1 is the initial thickness of the separator,
The T2 refers to the thickness of the separator after pressing it at 5.2 MPa and 70°C for 10 seconds in a cotton rolling mill.
양극;
실리콘계 음극;
상기 양극 및 상기 실리콘계 음극 사이에 위치하는, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 전기화학소자용 분리막; 및
전해질을 포함하는 전기화학소자.
anode;
Silicon-based cathode;
A separator for an electrochemical device according to any one of claims 1 to 3, located between the anode and the silicon-based cathode; and
An electrochemical device containing an electrolyte.
실리콘계 음극을 포함하는 전기화학소자의 분리막 제조 방법으로서,
무기물 입자를 포함하는 제1 방사액 및 바인더 고분자를 포함하는 제2 방사액을 동시에 전기 방사하여 프리스탠딩(freestanding) 다공성 분리막을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제1 방사액의 유량은 상기 제2 방사액의 유량보다 많은 것인, 전기화학소자용 분리막의 제조 방법으로서,
상기 바인더 고분자의 중량 평균 분자량은 100,000 내지 200,000이고,
상기 무기물 입자의 평균 입경(D50)은 10 내지 500 nm이고,
상기 분리막은 평균 크기 500 내지 1,000 nm의 기공을 가지며, 기공도는 50 내지 60%이고, 통기도는 63 내지 67.4 sec/100cc인, 전기화학소자용 분리막의 제조 방법.
A method of manufacturing a separator for an electrochemical device containing a silicon-based cathode,
It includes forming a freestanding porous separator by simultaneously electrospinning a first spinning solution containing inorganic particles and a second spinning solution containing a binder polymer,
A method of manufacturing a separator for an electrochemical device, wherein the flow rate of the first spinning solution is greater than the flow rate of the second spinning solution,
The weight average molecular weight of the binder polymer is 100,000 to 200,000,
The average particle diameter (D50) of the inorganic particles is 10 to 500 nm,
The separator has pores with an average size of 500 to 1,000 nm, a porosity of 50 to 60%, and an air permeability of 63 to 67.4 sec/100cc.
제5항에 있어서,
상기 실리콘계 음극은,
Si, SiOx (0<x<2), SiC 및 Si 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 실리콘계 활물질을 포함하는 것인, 전기화학소자용 분리막의 제조 방법.
According to clause 5,
The silicon-based cathode is,
A method of manufacturing a separator for an electrochemical device, comprising at least one silicon-based active material selected from the group consisting of Si, SiOx (0<x<2), SiC, and Si alloy.
제5항에 있어서,
상기 무기물 입자는,
SiO2, Al2O3, AlOOH, TiO2, ZrO2, BaSO4, BaTiO3, ZnO, MgO, Mg(OH)2, Al(OH)3, Pb(Zr,Ti)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), HfO2, SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, Y2O3, SiC, ZnSn(OH)6, Zn2SnO4, ZnSnO3, Sb2O3, Sb2O4 및 Sb2O5로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 전기화학소자용 분리막의 제조 방법.
According to clause 5,
The inorganic particles are,
SiO 2 , Al 2 O 3 , AlOOH, TiO 2 , ZrO 2 , BaSO 4 , BaTiO 3 , ZnO, MgO, Mg(OH) 2 , Al(OH) 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 , Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), HfO 2 , SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, NiO, CaO, Y 2 O 3 , SiC, ZnSn(OH) 6 , Zn 2 SnO 4 , ZnSnO 3 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 and Sb 2 O 5 A method of producing a separator for an electrochemical device, at least one selected from the group consisting of.
제5항에 있어서,
상기 바인더 고분자는,
폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리술폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소프렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알코올, 폴리스티렌, 폴리아크릴산, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드 및 그 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 전기화학소자용 분리막의 제조 방법.
According to clause 5,
The binder polymer is,
Polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyamide, polyimide, polyetherimide, polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polyethylene, polypropylene, polyisoprene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, poly A method of producing a separator for an electrochemical device, which is at least one selected from the group consisting of vinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polystyrene, polyacrylic acid, polymethyl methacrylate, polyacrylamide, and derivatives thereof.
제5항에 있어서,
상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계는,
상기 제1 방사액 및 상기 제2 방사액을 각각 80 내지 100 ㎕/min 및 1 내지 10 ㎕/min의 유량으로 전기 방사하는 것인, 전기화학소자용 분리막의 제조 방법.
According to clause 5,
The step of forming the freestanding porous separator is,
A method for producing a separator for an electrochemical device, wherein the first spinning solution and the second spinning solution are electrospun at a flow rate of 80 to 100 μl/min and 1 to 10 μl/min, respectively.
제5항에 있어서,
상기 전기화학소자용 분리막의 제조 방법은,
상기 프리스탠딩 다공성 분리막을 형성하는 단계에서 형성된 분리막을 25 내지 60℃에서 가압하는 단계를 더 포함하는 전기화학소자용 분리막의 제조 방법.
According to clause 5,
The method for manufacturing the separator for the electrochemical device is,
A method of manufacturing a separator for an electrochemical device further comprising pressurizing the separator formed in the step of forming the freestanding porous separator at 25 to 60°C.
제5항에 있어서,
상기 전기화학소자용 분리막은 면 압연기에서 5.2 MPa, 70℃로 10초 동안 누른 후의 저항 상승률이 50%이하인, 전기화학소자용 분리막의 제조 방법.
According to clause 5,
A method of manufacturing a separator for an electrochemical device, wherein the resistance increase rate of the separator for an electrochemical device is 50% or less after being pressed at 5.2 MPa and 70° C. for 10 seconds in a cotton rolling mill.
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