KR20000065612A - Texture-type separator for the electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기화학적 에너지 디바이스용 분리막에 관한 것으로, 좀 더 상세히 설명하면 전극, 전해질 및 분리막으로 구성되는 전기화학적 에너지 디바이스에 있어서 천연 폴리펩타이드계 섬유로 직조된 분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a separator for an electrochemical energy device, and more particularly, to a separator woven from natural polypeptide-based fibers in an electrochemical energy device consisting of an electrode, an electrolyte and a separator.
최근 정보통신산업의 발전에 의해 소형화, 경량화, 박형화 및 휴대화가 가능하며 에너지 밀도가 높은 전지 및 캐패시터 등의 전기화학적 원리를 이용한 에너지 디바이스가 요구되고 있고, 이러한 전기화학적 에너지 디바이스는 필수적으로 전극(양극 및 음극), 전해질 및 분리막으로 구성된다.Recently, due to the development of the information and communication industry, energy devices using electrochemical principles such as batteries and capacitors, which are compact, lightweight, thin and portable, and have high energy density, are required. And a cathode), an electrolyte and a separator.
대한민국 특허출원 제 83-3192호에는 분리막이 전지를 양극 및 음극으로 분리시키는 전해화학 전지에 사용되는 전극조립체로서, 개구 다공성 망사 1차 전극이 적어도 한 부분을 차지하고 또한 분리막과 완벽한 물리적 접촉을 이루며, 전류 공급자가 전극에 내부 금속적으로 연결됨으로써 전류가 전극 및 전류 공급자간의 전기 저항없이 전극에 분배되며 전해액을 전극 부위내로 또는 전극 부위위로 순환시킬 수 있는 분배장치에 관해 기재되어 있으며, 대한민국 특허출원 제 95-6584호에는 아연 음극과 접하는 전해액 함습용 분리막의 두께가 50∼150m인, 알칼리 양극과 아연 음극 사이에 전해액 함습용 분리막과 전지단락 방지용 미공성 필름 분리막을 갖는 밀폐형 알칼리-아연 2차 전지가 기재되어 있다.Korean Patent Application No. 83-3192 discloses an electrode assembly used in an electrochemical cell in which a separator separates a cell into a positive electrode and a negative electrode, and the porous porous mesh primary electrode occupies at least one part and also makes perfect physical contact with the separator. A distributor is described, in which a current supplier is internally connected to an electrode, so that current is distributed to the electrode without electrical resistance between the electrode and the current supplier, and the electrolyte can be circulated into or onto the electrode site. 95-6584 discloses a sealed alkali-zinc secondary battery having an electrolyte-moisture separator and a microporous film separator for preventing battery short-circuit between an alkaline positive electrode and a zinc negative electrode having a thickness of 50-150 m in contact with the zinc negative electrode. It is described.
또한, 대한민국 특허 제 74824호에는 필터매체, 용질추출막, 혈액 산소화막 및 전지분리막등으로 사용되며 기공밀도가 증가되고 기공크기가 감소된 개방-셀 미공질막의 제조방법이 기재되어 있다.In addition, Korean Patent No. 74824 describes a method for producing an open-cell microporous membrane, which is used as a filter medium, a solute extraction membrane, a blood oxygenation membrane, and a battery separation membrane, and has an increased pore density and a reduced pore size.
이와 같이, 전지 및 캐패시터와 같은 전기화학적 에너지 디바이스에서 필수적인 분리막은 전극간의 단락(short circuit)을 방지하기 위해 사용되며, 절연성이면서 이온교환이 가능하고, 다양한 형태로 제조될 수 있도록 성형성이 우수한 것이 요구된다. 지금까지는 통상적으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계의 다공성 분리막이나, 펄프 및 종이, 유리섬유로 직조된 분리막 등이 사용되어 왔으며, 분리막은 전해질의 종류 등에 의해 선택되고 사각형 또는 실린더형 등의 다양한 형태로 사용된다.As such, the separators essential for electrochemical energy devices, such as batteries and capacitors, are used to prevent short circuits between electrodes, are insulating, ion-exchangeable, and have excellent moldability to be manufactured in various forms. Required. Until now, polyolefin-based porous separators such as polyethylene and polypropylene, separators woven from pulp, paper, and glass fiber have been used, and the separators are selected according to the type of electrolyte, and various shapes such as rectangular or cylindrical. Used as
그런데, 폴리올레핀계의 분리막은 가격이 고가이고, 액체 전해질에서는 사용할 수 있지만 고분자 전해질에서는 사용할 수 없는 단점이 있으며, 유리섬유로 직조된 분리막은 산 등의 수용액계에서는 사용될 수 있지만, 고분자 겔상의 전해질에서는 사용되기 어려운 단점이 있다.However, polyolefin-based membranes are expensive and can be used in liquid electrolytes but cannot be used in polymer electrolytes. Membranes woven from glass fibers can be used in aqueous solutions such as acids, but in polymer-gel electrolytes. It is difficult to use.
또한, 종이 또는 펄프는 통상적으로 수용성 알칼리 전해질에 사용되는데, 종이 또는 펄프에 화학처리된 SiO2등의 파우더로 인해 고가의 최고급지가 사용되어야 하는 문제가 있으며, 현재 국내에서는 이러한 모든 분리막이 거의 수입에 의존하고 있다.In addition, paper or pulp is commonly used in water-soluble alkali electrolytes, and there is a problem that expensive high-quality paper should be used due to powder such as SiO 2 chemically treated in paper or pulp. Depends.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 본 발명자는 광범위한 연구를 수행한 결과, 천연 폴리펩타이드계 섬유를 이용하여 분리막을 제조할 수 있음을 발견하였으며, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.In order to overcome this problem, the present inventors have conducted extensive research and found that the membrane can be manufactured using natural polypeptide-based fibers, and the present invention has been completed based on this.
따라서, 본 발명의 목적은 전해질의 이온전도도 및 전극간의 계면특성을 크게 향상시킬 수 있으며 내화학적 특성이 우수하고, 전기화학적 및 열적으로 안정하며 성형성이 우수한 전기화학적 에너지 디바이스용 분리막을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a membrane for an electrochemical energy device that can greatly improve the ion conductivity of the electrolyte and the interfacial characteristics between electrodes, and has excellent chemical resistance, electrochemical and thermal stability, and excellent moldability. .
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 분리막은 전기화학적 에너지 디바이스용 분리막에 있어서, 상기 분리막이 천연 폴리펩타이드계 섬유로 이루어진 직조물로 이루어진다.The separator of the present invention for achieving the above object is a separator for an electrochemical energy device, the separator is made of a woven fabric made of natural polypeptide-based fibers.
도 1은 본 발명에 따른 천연 폴리펩타이드계 섬유로 직조된 분리막의 광학 현미경 사진이며,1 is an optical micrograph of a membrane woven from natural polypeptide-based fibers according to the present invention,
도 2는 본 발명에 따른 분리막을 폴리아크릴로나이트릴계의 고분자 겔상에 적용하여 얻은 전압-전류 곡선이다.2 is a voltage-current curve obtained by applying the separator according to the present invention on a polyacrylonitrile-based polymer gel.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
전술한 바와 같이, 본 발명의 특징은 천연 폴리펩타이드계 섬유로 직조된 직조물을 전기화학적 에너지 디바이스용 분리막으로 사용하는 것이다.As noted above, a feature of the present invention is the use of woven fabrics of natural polypeptide based fibers as separators for electrochemical energy devices.
본 발명에 따른 천연 폴리펩타이드 섬유는 통상적으로 비단, 즉 견섬유로서 통칭되며 일반적으로 누에로부터 분비되어 얻어지는 섬유로서 그 재질이 우수하여 각종 고급섬유 및 용지에 사용되며, 통상적으로 사용되는 폴리올레핀계 다공성 분리막보다 상대적으로 가격이 저렴하고 또한 기계적인 강도도 우수하다. 또한, 천연 폴리펩타이드 섬유는 유기 용매에 팽윤되지 않으며 내약품성 또한 우수하다.The natural polypeptide fiber according to the present invention is generally referred to as silk, that is, silk fiber, and is a fiber obtained by being generally secreted from silkworms. It is relatively inexpensive and has good mechanical strength. In addition, natural polypeptide fibers do not swell in organic solvents and are also excellent in chemical resistance.
전술한 바와 같이, 천연 폴리펩타이드는 섬유형태로 가늘게 얻어질 수 있기 때문에 직조물로 쉽게 제조할 수 있고 격자의 크기, 막의 두께 등을 원하는 형태로 쉽게 제조할 수 있으며, 두께가 가늘면서도 기계적인 강도가 우수하여 직조물의 두께를 얇게 할 수 있고 이에 따라 저항을 줄일 수 있다.As described above, since the natural polypeptide can be obtained thinly in the form of fibers, it can be easily manufactured in a woven fabric, and the size of the lattice, the thickness of the membrane, and the like can be easily produced in the desired form. It is excellent, so that the thickness of the woven fabric can be made thinner, thereby reducing the resistance.
뿐만 아니라, 천연 폴리펩타이드계 섬유 분리막은 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보내이트 등 유기전해질 용매에 팽윤되거나 용해되지 않고 내화학성 및 내약품성이 우수하기 때문에 분리막이 전극간의 접촉성을 유지시킴으로서 전극간의 계면특성을 향상시키고 이온전도도를 향상시킬수 있으며 전기화학적으로 리튬전극에 대해 0∼5볼트 범위에서 안정하며, 200℃까지 열적 안전성을 나타내어 우수한 절연성, 내화학성 및 열적 안정성을 요구하는 분리막으로서 적합하다.In addition, since the natural polypeptide-based fiber separator does not swell or dissolve in organic electrolyte solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, and dimethyl carbite, and has excellent chemical resistance and chemical resistance, the membrane has excellent contact resistance between electrodes. It can improve the interfacial properties and improve the ion conductivity between electrodes, and is electrochemically stable in the range of 0 to 5 volts for lithium electrodes, and shows thermal stability up to 200 ° C, requiring excellent insulation, chemical resistance and thermal stability. It is suitable as.
특히, 겔상의 전해질을 사용할 경우에는 필름형태의 분리막을 사용해야 하는데, 천연 폴리펩타이드계 직조물을 겔상의 전해질의 분리막으로 사용하면 겔의 보강재로도 역할을 함으로써 별도의 겔상의 전해질 필름을 제조할 필요가 없기 때문에 전기화학적 에너지 디바이스의 제조공정을 단순화시킬 수 있다. 즉, 고상이나 겔상의 전해질을 이용하는 전지 및 캐패시터 등의 에너지 디바이스 형태를 다양하게 제조할 수 있게 되며, 단락을 근본적으로 차단하여 에너지 디바이스의 안전성 확보 관점에서도 많은 장점을 갖는다.In particular, when a gel electrolyte is used, a membrane-type separator must be used. When a natural polypeptide-based woven material is used as a separator for gel electrolyte, it also serves as a reinforcing agent of the gel, so that a separate gel electrolyte film needs to be prepared. Absence, can simplify the manufacturing process of the electrochemical energy device. That is, it is possible to manufacture a variety of forms of energy devices, such as batteries and capacitors using a solid or gel electrolyte, and has many advantages in terms of securing safety of energy devices by fundamentally blocking a short circuit.
이러한 상기 천연 폴리펩타이드계 섬유 분리막은 1∼20㎛의 직경, 바람직하게는 약 10㎛정도를 갖는 천연 폴리펩타이드 단섬유 또는 복수의 구성 섬유를 이용하여 제조되며, 상기 섬유의 직경이 1㎛ 미만이면 전극이 단락될 우려가 있고, 20㎛를 초과하면 직조물 두께가 커져서 저항이 증가되는 문제가 있다.The natural polypeptide-based fiber separation membrane is prepared using a single natural polypeptide or a plurality of constituent fibers having a diameter of 1 to 20㎛, preferably about 10㎛, if the diameter of the fiber is less than 1㎛ There is a possibility that the electrode may be short-circuited, and when the thickness exceeds 20 µm, the thickness of the woven material becomes large, which causes a problem of increasing the resistance.
또한, 상기 천연 폴리펩타이드계 섬유 분리막 격자내의 기공의 크기(도 1 참조)는 가로 및 세로 길이가 각각 1∼1000㎛의 범위를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 상기 격자의 길이가 1㎛ 미만이면 격자 간격이 너무 조밀해서 전해질의 이온전도성이 떨어지게 되고, 1000㎛를 초과하면 격자가 너무 커서 전극이 단락될 우려가 있다.In addition, the size of the pores (see Fig. 1) in the natural polypeptide-based fiber membrane lattice is preferably such that the horizontal and vertical lengths each have a range of 1 to 1000㎛. If the length of the lattice is less than 1 mu m, the lattice spacing is too dense to reduce the ion conductivity of the electrolyte. If the length of the lattice exceeds 1000 mu m, the lattice is too large and the electrode may be shorted.
또한, 상기 분리막의 두께는 1∼150㎛가 바람직한데, 그 두께가 1㎛ 미만이면 전극이 단락될 가능성이 있고, 150㎛를 초과하면 전해질의 저항을 증가시키게 된다.In addition, the thickness of the separator is preferably 1 to 150 μm. If the thickness is less than 1 μm, the electrode may be short-circuited. If the thickness of the separator exceeds 150 μm, the resistance of the electrolyte is increased.
도 1은 본 발명에 따른 천연 폴리펩타이드 섬유로 직조된 분리막의 광학 현미경 사진이다. 전기화학적 에너지 디바이스용 분리막의 성능은 그 분리막을 이루고 있는 직조물의 두께 및 격자내의 기공의 크기로 결정된다. 상기 직조물의 천연 폴리펩타이드 섬유는 단사 또는 2복수의 실로 구성되며, 직조물 격자내의 기공의 크기는 전해질의 특성에 크게 의존하게 된다. 좀 더 상세하게 설명하면, 액상의 전해질에서는 격자내의 기공의 크기가 가로 및 세로로 1㎛ 이하이어도 무방하지만 고상이나 유기 및 무기계의 겔상의 전해질에서는 격자의 크기가 1∼1000㎛가 바람직하다.1 is an optical micrograph of a membrane woven from natural polypeptide fibers according to the present invention. The performance of a separator for an electrochemical energy device is determined by the thickness of the woven fabric constituting the separator and the size of the pores in the lattice. The natural polypeptide fibers of the woven fabric consist of a single yarn or a plurality of yarns, and the size of the pores in the woven lattice depends greatly on the properties of the electrolyte. In more detail, in the liquid electrolyte, the pore size in the lattice may be 1 μm or less in the lattice, but the lattice size is preferably 1 to 1000 μm in the solid or organic and inorganic gel electrolyte.
또한, 도 2는 본 발명에 따른 분리막을 폴리아크릴로나이트릴계의 고분자 겔상에 적용하여 얻은 전압-전류 곡선으로서, 점선은 본 발명의 분리막을 사용하였을 경우이며, 실선은 분리막을 사용하지 않은 경우를 나타내고 있다. 여기서 천연 폴리펩타이드계 섬유로 이루어진 분리막인 리튬에 대하여 전기화학적으로 0∼4.6V에서 안정함을 알 수 있다.In addition, Figure 2 is a voltage-current curve obtained by applying the separator according to the present invention on a polyacrylonitrile-based polymer gel, the dotted line is when the separator of the present invention was used, the solid line is not used It is shown. It can be seen that the electrochemically stable at 0 ~ 4.6V with respect to lithium which is a separator made of natural polypeptide-based fibers.
또한, 본 발명에 따른 분리막은 수용액계 전지, 비수용액계 전지, 수용액계 캐패시터 또는 비수용액계 캐패시터의 디바이스에 사용될 수 있으며, 예를 들어 상기 수용액계 전지로는 Zn-Mn계 1차 및 2차 전지, 알카리 전지를 들 수 있고, 비수용액계 전지로는 리튬 전지, 리튬 고분자 전지 및 리튬 이온 고분자전지 등을 들 수 있다.In addition, the separator according to the present invention can be used in devices of aqueous batteries, non-aqueous batteries, aqueous capacitors or non-aqueous capacitors, for example, Zn-Mn-based primary and secondary batteries A battery and an alkaline battery are mentioned, A lithium battery, a lithium polymer battery, a lithium ion polymer battery, etc. are mentioned as a non-aqueous battery.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다. 한편, 단위 "%"는 특별한 언급이 없는한 "중량%"를 의미한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited to the following Examples. On the other hand, unit "%" means "% by weight" unless otherwise specified.
실시예 1Example 1
폴리아크릴로나이트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 리튬퍼크로레이트 및 퓸화(fumed) SiO2가 제조 중량비로 각각 14, 40, 40, 5 및 1로 구성된 고분자 겔상의 전해질에 분리막으로 직조물의 두께가 90㎛인 10㎛의 직경의 천연 폴리펩타이드 섬유로 제조된 직조물을 사용하였으며, 상기 분리막의 격자의 크기 및 두께에 따른 이온전도도를 임피던스 주파수 응답기로 측정하여 하기 표 2에 나타내었고, 하기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 분리막은 10-3이상의 바람직한 이온전도도를 가지며, 상기 분리막은 도 2와 같이 리튬에 대해 전기화학적으로 0∼4.6V 범위에서 안정하였다.Polyacrylonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, lithium perchlorate, and fumed SiO 2 were prepared in the polymer gel electrolyte consisting of 14, 40, 40, 5, and 1 in the weight ratio of the woven fabric as a separator. A woven fabric made of a natural polypeptide fiber having a diameter of 10 μm of 90 μm was used, and the ion conductivity according to the size and thickness of the separator was measured in an impedance frequency responder, and is shown in Table 2 below. As can be seen, the separator of the present invention has a preferable ion conductivity of 10 −3 or more, and the separator is stable in the range of 0 to 4.6 V electrochemically with respect to lithium as shown in FIG. 2.
실시예 2Example 2
염화나트륨에 의해 2.3 × 10-2S/㎝을 나타내는 수용액에 2%의 퓸화 SiO2를 첨가하여 겔상으로 만든 수용액계 전해질에 분리막으로 두께가 90㎛인 10㎛의 직경의 천연 폴리펩타이드 섬유로 제조된 직조물을 사용하였으며, 상기 분리막의 격자 크기가 이온전도도에 미치는 영향을 상기 실시예 1과 같은 방법으로 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.2% fumigated SiO 2 was added to an aqueous solution exhibiting 2.3 x 10 -2 S / cm by sodium chloride, and a membrane was prepared as a natural polypeptide fiber having a diameter of 10 µm with a thickness of 90 µm as a separator in an aqueous electrolyte based on a gel. A woven fabric was used, and the influence of the lattice size of the separator on the ion conductivity was measured in the same manner as in Example 1, and is shown in Table 1 below.
실시예 3Example 3
상기 실시예 1에서 제조한 고분자 겔상의 전해질에 천연 폴리펩타이드 섬유로 제조된 분리막을 이용하여 리튬이온고분자 전지를 제조하여 1mA/의 일정전류를 흘리면서 충방전 용량 및 이용율을 측정한 결과, 충방전 용량이 100mA/h이상으로 전극 활물질 기준으로 95%이상의 이용율을 나타냈으며, 초기의 충방전 효율은 99%이상, 수명은 500회 이상 유지하였다.A lithium ion polymer battery was prepared by using a separator made of natural polypeptide fibers in a polymer gel-like electrolyte prepared in Example 1, thereby producing 1 mA / As a result of measuring the charge / discharge capacity and utilization rate while passing a constant current, the charge / discharge capacity was over 100mA / h, and the utilization rate was over 95% based on the electrode active material. The initial charge / discharge efficiency was over 99% and the life span was 500 times. The above was maintained.
비교예 1Comparative Example 1
분리막으로 리튬 이온 액체 전지에 사용되는 다공성 폴리프로필렌 분리막인 셀가드(cellgard)를 사용하여 실험한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 상기 분리막의 격자의 크기 및 두께에 따른 이온전도도를 실시예 1과 같이 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.As a separator, the experiment was carried out in the same manner as in Example 1 except that cellgard (cellgard), which is a porous polypropylene separator used in a lithium ion liquid battery, was ionized according to the size and thickness of the separator. Conductivity was measured as in Example 1 and shown in Table 2 below.
전술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 전지, 캐패시터 등의 전기화학적 에너지 디바이스의 제조공정을 단순화시킬 수 있으며, 전극간의 단락을 방지함으로 안전성을 크게 향상시킨다. 특히, 천연 폴리펩타이드 섬유로 된 직조물을 고분자 겔상의 전해질에 분리막으로 사용하여 에너지 디바이스의 형태를 자유로이 변형시킬수 있다.As described above, the method of the present invention can simplify the manufacturing process of electrochemical energy devices such as batteries, capacitors, etc., and greatly improves safety by preventing short circuits between electrodes. In particular, a woven fabric of natural polypeptide fibers can be used as a separator in an electrolyte on a polymer gel to freely modify the shape of the energy device.
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KR1019990012043A KR20000065612A (en) | 1999-04-07 | 1999-04-07 | Texture-type separator for the electrochemical cell |
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Country | Link |
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KR (1) | KR20000065612A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110265611A (en) * | 2018-03-12 | 2019-09-20 | 江苏海基新能源股份有限公司 | High-multiplying-power battery diaphragm and lithium ion secondary battery |
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1999
- 1999-04-07 KR KR1019990012043A patent/KR20000065612A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110265611A (en) * | 2018-03-12 | 2019-09-20 | 江苏海基新能源股份有限公司 | High-multiplying-power battery diaphragm and lithium ion secondary battery |
CN110265611B (en) * | 2018-03-12 | 2024-03-08 | 江苏海基新能源股份有限公司 | High-rate battery diaphragm and lithium ion secondary battery |
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