KR20060003665A - New organic/inorganic composite porous film and electrochemical device prepared thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기공을 갖고, 용융 온도가 200℃ 이상인 다공성 기재; 및 상기 기재의 표면 또는 기재 중 기공부 일부가 5 이상의 유전율 상수를 갖는 무기물 입자 및 용해도 지수(solubility parameter)가 15 내지 45 MPa1/2 인 고분자의 혼합물로 코팅된 활성층을 포함하는 유/무기 복합 다공성 필름 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 전기 화학 소자를 제공한다.The present invention is a porous substrate having pores, the melting temperature is 200 ℃ or more; And an active layer coated with a mixture of inorganic particles having a dielectric constant constant of 5 or more on the surface of the substrate or the substrate, and a polymer having a solubility parameter of 15 to 45 MPa 1/2 . Provided are a porous film and a method of manufacturing the same, and an electrochemical device including the same.
본 발명에 따라 제조된 유/무기 복합 다공성 필름은 기공부를 갖고, 용융 온도 200℃ 이상인 다공성 기재와 고유전율 무기물 입자 및 전해액과 반응하여 겔화 가능한 고분자를 함유하는 활성층을 사용함으로써, 탁월한 구조적 및 물리적 안전성을 나타낼 뿐만 아니라 전해액 함침시 리튬 이온 전달이 현저하게 향상되고 전해액 함침율이 우수하므로, 이를 이용한 리튬 이차 전지는 탁월한 전지의 안전성 및 성능 향상을 제공할 수 있다. The organic / inorganic composite porous film prepared according to the present invention has pores and has excellent structural and physical properties by using an active layer containing a porous substrate having a melting temperature of 200 ° C. or higher, a high dielectric constant inorganic particles, and a polymerizable gelable polymer. In addition to showing safety, lithium ion transfer is significantly improved during electrolyte impregnation and the electrolyte impregnation rate is excellent, and thus, a lithium secondary battery using the same may provide excellent battery safety and performance improvement.
다공성 기재, 기공, 무기물, 고분자, 활성층, 필름, 분리막, 겔형 고분자 전해질, 리튬 이차 전지, 전기 화학 소자Porous substrates, pores, inorganic materials, polymers, active layers, films, separators, gel polymer electrolytes, lithium secondary batteries, electrochemical devices
Description
도 1은 실시예 1에서 제조된 유/무기 복합 다공성 필름의 구조도이다. 1 is a structural diagram of an organic / inorganic composite porous film prepared in Example 1. FIG.
도 2a는 실시예 1에서 제조된 유/무기 복합 다공성 필름(PVdF-CTFE/BaTiO3) 및 상용화된 PP/PE/PP 분리막의 상온 보존시의 사진이며, 도 2b는 상기 유/무기 복합 다공성 필름 및 PP/PE/PP 분리막을 각각 150℃에서 1시간 방치한 후의 사진이다.Figure 2a is a photograph of the organic / inorganic composite porous film prepared in Example 1 (PVdF-CTFE / BaTiO 3 ) and commercialized PP / PE / PP separator at room temperature storage, Figure 2b is the organic / inorganic composite porous film And a photograph after leaving the PP / PE / PP separator at 150 ° C. for 1 hour.
본 발명은 탁월한 안전성 및 성능 향상을 갖는 유/무기 복합 다공성 필름 및 이를 포함하는 전기 화학 소자에 관한 것이다. The present invention relates to an organic / inorganic composite porous film having an excellent safety and performance improvement, and an electrochemical device including the same.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더, 노트북 및 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용 분야가 확대됨에 따라 전지의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목받는 분야이며, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차 전지의 개발은 관심의 촛점이 되고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. As the field of application extends to the energy of mobile phones, camcorders, notebooks and PCs, and even electric vehicles, efforts for research and development of batteries are becoming more concrete. The electrochemical device is the most attracting field in this respect, and among them, the development of a secondary battery capable of charging and discharging has been the focus of attention.
이차 전지는 화학 에너지와 전기 에너지의 가역적 상호변환을 이용해 충전과 방전을 반복할 수 있는 화학 전지로서, Ni-MH 이차 전지와 리튬 이차 전지로 구분된다. 리튬 이차 전지에는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등이 있다.Secondary batteries are chemical cells capable of repeating charging and discharging using reversible interconversion of chemical and electrical energy, and are classified into Ni-MH secondary batteries and lithium secondary batteries. Lithium secondary batteries include lithium metal secondary batteries, lithium ion secondary batteries, lithium polymer secondary batteries or lithium ion polymer secondary batteries.
리튬 이온 전지는 빈 공간이 존재하는 결정 구조의 정극활물질(예, LiCoO2)과 부극활물질(예, graphite)을 각각 전류 집전체(current collector)인 알루미늄 호일 및 구리 호일 상에 코팅하여 양 전극을 제조하며, 양 전극 사이에 분리막을 개재시킨 후, 전해액을 주입하게 된다. 전지의 충전시에는 정극활물질 결정 내에 삽입된 리튬이 탈리되어 부극의 부극활물질 결정 구조속으로 들어가고, 방전시에는 이와 반대로 부극활물질 속에 있는 리튬이 탈리되어 정극 중의 결정으로 삽입된다. 이와 같이 충방전됨에 따라 리튬 이온이 정극과 부극 간을 상호 이동하며 에너지를 전달하므로, 흔들의자 전지(rocking chair battery)라 부른다. 이와 같은 작동 메커니즘을 가진 리튬 이온 전지는 사용하는 전해질에 따라 LiLB (lithium ion liquid battery), LiPB (lithium ion polymer battery), LPB (lithium polymer battery) 등으로 나눌 수 있다. 즉, LiLB는 액체 전해질을, LiPB는 겔형 고분자 전해질을, LPB는 고체 고분자 전해질을 사용한다.A lithium ion battery coats a positive electrode active material (eg, LiCoO 2 ) and a negative electrode active material (eg, graphite) having a crystal structure on an aluminum foil and a copper foil, which are current collectors, respectively. After the preparation, the separator is interposed between the electrodes, and the electrolyte is injected. When the battery is charged, lithium inserted in the positive electrode active material crystal is detached and enters the negative electrode active material crystal structure. On discharge, lithium in the negative electrode active material is detached and inserted into the crystal in the positive electrode. As the charge and discharge as described above, lithium ions move energy between the positive electrode and the negative electrode to transfer energy, and thus, are called rocking chair batteries. Lithium ion batteries having such an operation mechanism may be divided into lithium ion liquid battery (LiLB), lithium ion polymer battery (LiPB), and lithium polymer battery (LPB) according to the electrolyte used. That is, LiLB uses a liquid electrolyte, LiPB uses a gel polymer electrolyte, and LPB uses a solid polymer electrolyte.
리튬 이차 전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 크다는 장점이 있기 때문에 현재 많은 회사에서 생 산되고 있으나, 그들의 안전성 특성은 각기 다른 양상을 보이고 있다. 전지의 안전성 평가 및 안전성 확보는 가장 중요하게 고려해야 될 사항이므로, 이에 따라 리튬 이차 전지의 안전 규격은 전지 내의 발화 및 발연 등을 엄격히 규제하고 있다. Lithium secondary batteries are currently produced by many companies because of their high operating voltage and high energy density, compared to conventional Ni-MH batteries using aqueous electrolyte solutions, but their safety characteristics are different. The safety evaluation and safety of the battery are the most important considerations, and accordingly, the safety standard of the lithium secondary battery strictly regulates ignition and smoke in the battery.
현재 생산중인 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지는 양극과 음극의 단락을 방지하고자, 폴리올레핀 계열 분리막을 사용하고 있다. 폴리올레핀 계열 분리막은 200℃ 이하에서 용융되는 물성을 가지고 있기 때문에, 내부 및/또는 외부 자극에 의해 전지가 고온으로 상승할 경우 분리막의 수축 혹은 용융 등과 같은 부피 변화가 발생하게 되며, 이로 인해 양 전극의 단락, 전기 에너지의 방출 등으로 폭발 등이 발생할 수 있다. 따라서, 고온에서 열 수축이 일어나지 않는 분리막의 개발이 요구되고 있다.Lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries currently in production use polyolefin-based separators to prevent short circuits between the positive and negative electrodes. Since the polyolefin-based separator has a property of melting at 200 ° C. or lower, when the battery rises to a high temperature due to internal and / or external magnetic poles, a volume change such as shrinkage or melting of the separator occurs. An explosion may occur due to a short circuit, the release of electrical energy, or the like. Therefore, there is a demand for development of a separator in which heat shrinkage does not occur at high temperatures.
상기에 언급된 폴리올레핀 계열 분리막의 문제점을 개선하기 위한 노력으로, 일반적인 고분자 전해질의 연구 방향들 중 한가지인, 분리막의 역할을 수행하면서 무기물이 적용된 전해질을 개발하고자 많은 시도들이 있었다. 이들을 크게 2가지로 분류하면, 첫째는 무기 입자를 사용하는 것으로, 리튬 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 단독으로 이용하거나 또는 이와 함께 리튬 이온 전달 능력이 있는 고분자를 혼합하여 복합 전해질을 제조하는 것이다. 그러나 액체 전해질에 비해 낮은 무기물의 이온 전도도 및 고분자와 혼합시 무기물과 고분자간의 계면 저항 증가 등으로 인해 더 이상의 진전이 없는 것으로 알려졌다(일본 공개번호 제 2003-022707호; Solid State Ionics, vol.158, n.3, p275, 2003; Journal of Power Sources, vol.112, n.1, p209, 2002; Electrochimica Acta, vol.48, n.14, p2003, 2003). In an effort to improve the problems of the polyolefin-based separators mentioned above, there have been many attempts to develop an electrolyte to which inorganic substances are applied while serving as a separator, which is one of research directions of a general polymer electrolyte. If these are largely classified into two, first, inorganic particles are used, and composite electrolytes are prepared by using inorganic particles having lithium ion transfer capability alone or by mixing polymers having lithium ion transfer capability together. However, it is known that there is no further progress due to the lower ionic conductivity of the inorganic electrolyte and the increased interfacial resistance between the inorganic and the polymer when mixed with the polymer (Japanese Laid-Open Publication No. 2003-022707; Solid State Ionics , vol. 158, n.3, p275, 2003; Journal of Power Sources , vol. 112, n.1, p209, 2002; Electrochimica Acta , vol. 48, n.14, p2003, 2003).
둘째는 리튬 이온 전달 능력이 있거나 또는 리튬 이온 전달 능력이 없는 무기물 입자를 고분자 및 액체 전해질로 구성된 겔형 고분자 전해질(gel polymer electrolyte)과 함께 섞어 전해질을 제조하는 것이다. 이 경우 무기물은 고분자 및 액체 전해질에 비해 소량 투입되며, 액체 전해질에 의해 이루어지는 리튬 이온 전달을 도와주는 보조 기능을 지니게 된다. Second, an electrolyte is prepared by mixing inorganic particles having lithium ion transfer ability or lithium ion transfer ability with a gel polymer electrolyte composed of a polymer and a liquid electrolyte. In this case, the inorganic material is added in a small amount compared to the polymer and the liquid electrolyte, and has an auxiliary function to assist the lithium ion transfer made by the liquid electrolyte.
한편 용액 상태로부터 복합 전해질을 제조할 경우, 무기물의 종류에 따라서 복합 전해질 내부에 기공이 형성되는 구조를 갖기도 하였다(미국 특허 제6,544,689호; 일본 공개번호 제 2002-008724호; 일본 공개번호 제 1993-314995호; WO 02/092638호; WO 00/038263호; Journal of Electrochemical Society, v.147, p1251, 2000; Solid State Ionics, v.159, n.1, p111, 2003; Journal of Power Sources, v.110, n.1, p38, 2002; Electrochimica Acta, v.48, n.3, p227, 2002).On the other hand, when manufacturing a composite electrolyte from a solution state, it also has a structure in which pores are formed in the composite electrolyte depending on the type of inorganic material (US Patent No. 6,544,689; Japanese Laid-Open No. 2002-008724; 314995; WO 02/092638; WO 00/038263; Journal of Electrochemical Society , v.147, p1251, 2000; Solid State Ionics , v.159, n.1, p111, 2003; Journal of Power Sources , v .110, n.1, p38, 2002; Electrochimica Acta , v.48, n.3, p227, 2002).
미국 특허 제 6,203,949호 및 미국 특허 제 6,599,664호에서는 졸-겔(sol-gel) 공정을 이용하여 유/무기 복합 전해질을 제조하는 시도들이 있었다. 그러나, 졸-겔 공정의 복잡성 및 겔 형성 이후의 부피 수축 등으로 인한 문제들이 아직 해결되지 않았으며, 아직 실용화와는 다소 거리가 있다.In US Pat. No. 6,203,949 and US Pat. No. 6,599,664, attempts have been made to prepare an organic / inorganic composite electrolyte using a sol-gel process. However, problems due to the complexity of the sol-gel process and volume shrinkage after gel formation have not been solved yet, and are still far from practical use.
상기와 같이 무기물 입자를 이용하는 종래 연구들의 공통적인 문제점을 살펴보면, 첫째는 액체 전해질을 사용하지 않을 경우, 무기물들 사이 혹은 무기물과 고분자 사이의 계면 저항이 매우 커져 성능이 저하된다는 것이다. 둘째는 과량의 무기물을 사용시, 전해질이 쉽게 부서지는(brittle) 경향이 발생하게 된다. 이로 인해 취급이 용이하지 않아 전지 조립이 힘들어지는 문제점이 발생하게 된다. 특히, 현 재까지 진행된 대부분의 연구들이 모두 독립 필름(free standing film) 형태로 무기물이 포함된 복합 전해질을 개발하고자 하였으나, 이 경우 부서지는 경향과 같은 불량한 기계적 물성으로 인해 사실상 전지 적용이 힘든 상태이다. 무기물 함량을 감소시켜 기계적 물성을 향상시킨 경우에도 액체 전해질과 미리 혼합한 후 전지 조립을 하게 되면, 액체 전해질에 의해 기계적 물성이 크게 저하되어 전지 조립이 불가능해지며, 전지 조립 후 액체 전해질을 주액하는 경우에는 유/무기 복합막 내에 고분자 함량이 많기 때문에, 전지 내에서의 전해액 분산에 매우 오랜 시간이 걸리며 실제적인 전해액 젖음성 특성도 불량하게 된다.Looking at the common problems of the conventional studies using the inorganic particles as described above, the first is that when the liquid electrolyte is not used, the interfacial resistance between the inorganic material or between the inorganic material and the polymer is very large and the performance is reduced. Second, when an excess of minerals is used, the electrolyte tends to brittle easily. This causes a problem that the battery assembly is difficult to handle because it is not easy to handle. In particular, most of the studies conducted to date have attempted to develop a composite electrolyte containing an inorganic material in the form of a free standing film, but in this case, it is difficult to apply a battery due to poor mechanical properties such as a tendency to break. . Even in the case of improving the mechanical properties by reducing the inorganic content, if the battery is assembled after mixing with the liquid electrolyte in advance, the mechanical properties are greatly reduced by the liquid electrolyte, which makes the assembly of the battery impossible. In this case, since the polymer content is high in the organic / inorganic composite membrane, it takes a very long time to disperse the electrolyte in the battery, and the actual electrolyte wettability is also poor.
이외에, 미국 특허 제 6,432,586호는 폴리올레핀 계열 분리막에 실리카 등을 코팅시켜 복합막을 제조하였다. 이는 상기에 기재된 복합 전해질의 쉽게 부서지는 기계적 물성을 개선시키기 위한 것이었으나, 고온 열 수축을 포함한 안전성 향상에 큰 효과를 보여주지 못했다. In addition, US Pat. No. 6,432,586 prepared a composite membrane by coating silica and the like on a polyolefin-based separator. This was to improve the easily broken mechanical properties of the composite electrolyte described above, but did not show a great effect on the safety including high temperature heat shrinkage.
본 발명자는 상기에 언급된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서, (1) 탁월한 열적 안전성을 갖는 기재 및 (2) 리튬 이온 전달 능력 및 전해액 함침율이 우수하며 전해액 함침에 의해 겔화 가능한 활성층으로 구성된 유/무기 복합 다공성 필름을 도입하였다.In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present inventors have (1) a substrate having excellent thermal stability and (2) an active layer composed of an active layer which is excellent in lithium ion transfer capacity and electrolyte impregnation rate and gelable by electrolyte impregnation. / Inorganic composite porous film was introduced.
이에, 본 발명은 상기의 유/무기 복합 다공성 필름 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an organic / inorganic composite porous film and a method of manufacturing the same.
또한, 본 발명은 상기 유/무기 복합 다공성 필름을 포함하는 전기 화학 소자를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide an electrochemical device including the organic / inorganic composite porous film.
본 발명은 a) 기공을 갖고, 용융 온도가 200℃ 이상인 다공성 기재; 및 b) 상기 기재의 표면 또는 기재 중 기공부 일부가 5 이상의 유전율 상수를 갖는 무기물 입자 및 용해도 지수(solubility parameter)가 15 내지 45 MPa1/2 인 고분자의 혼합물로 코팅된 활성층을 포함하는 유/무기 복합 다공성 필름 및 이를 포함하는 전기 화학 소자를 제공한다.The present invention a) a porous substrate having pores, the melting temperature of 200 ℃ or more; And b) an active layer coated with a mixture of inorganic particles having a dielectric constant of at least 5 on the surface of the substrate or the substrate, and a polymer having a solubility parameter of 15 to 45 MPa 1/2 . An inorganic composite porous film and an electrochemical device including the same are provided.
또한, 본 발명은 a) 용해도 지수가 15 내지 45 MPa1/2 인 고분자를 용매에 용해시키는 단계; b) 5 이상의 유전율 상수를 갖는 무기물 입자를 상기 단계 a)의 고분자 용액에 첨가 및 혼합하는 단계; 및 c) 기공을 갖고, 용융 온도가 200℃ 이상인 다공성 기재의 표면 또는 기재 중 기공부 일부를 상기 단계 b)의 혼합물로 코팅 및 건조하는 단계를 포함하는 유/무기 복합 다공성 필름의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of a) dissolving a polymer having a solubility index of 15 to 45 MPa 1/2 in a solvent; b) adding and mixing inorganic particles having a dielectric constant of at least 5 to the polymer solution of step a); And c) coating and drying a surface of the porous substrate having a pore and a part of the pores in the substrate having a melting temperature of 200 ° C. or more with the mixture of step b). do.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 기공부를 갖는 다공성 기재를 사용함으로써 분리막으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 고유전율이며, 전해액 함침에 의해 겔화 가능한 고분자를 함유하므로 전해질로도 동시에 사용할 수 있는 특징이 있다. The organic / inorganic composite porous film of the present invention can be used not only as a separator by using a porous substrate having pores, but also has a high dielectric constant and can be used simultaneously as an electrolyte because it contains a polymer that can be gelled by electrolyte impregnation. .
종래에 사용되던 다공성 기재인 폴리올레핀 계열 분리막은 저조한 열적 안전성을 가짐으로써 내부 및 외부 자극에 의해 전지의 안전성이 크게 저하되는 문제점을 가지고 있었다. Polyolefin-based separators, which are porous substrates used in the related art, have poor thermal safety and have a problem in that battery safety is greatly reduced by internal and external stimuli.
이에 전지의 고온, 과충전 등의 과도한 조건에서 발생할 수 있는 내부 단락을 방지하기 위해서, 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름 중 기재는 용융 온도 200℃ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 기재는 기공부를 포함하는 다공성인 것이 바람직하다. 이는 전해액이 채워질 공간이 다수 존재하여 리튬의 전달이 용이해지므로 전지 성능을 향상시킬 수 있기 때문이다. 상기 기공부를 갖고, 용융 온도 200℃ 이상인 다공성 기재 재료의 비제한적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로 (polyphenylenesulfidro), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 또는 이들의 혼합체 등이 있으며, 기타 내열성 엔지니어링 플라스틱을 제한 없이 사용할 수 있다.Accordingly, in order to prevent internal short circuits that may occur under excessive conditions such as high temperature of the battery and overcharging, the substrate in the organic / inorganic composite porous film of the present invention preferably has a melting temperature of 200 ° C. or higher. In addition, the substrate is preferably porous including a pore portion. This is because there is a lot of space to be filled with the electrolyte solution to facilitate the transfer of lithium can improve the battery performance. Non-limiting examples of the porous base material having the pore portion and the melting temperature of 200 ℃ or more include polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide polyamide, polycarbonate, polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfidro, polyethylenenaphthalene (polyethylenenaphthalene) or mixtures thereof, and other heat-resistant engineering plastics can be used without limitation.
상기 다공성 기재의 두께는 크게 제한이 없으나, 1 내지 100㎛ 범위가 바람직하며, 5 내지 50㎛ 범위가 더욱 바람직하다. 1㎛ 미만일 경우에는 기계적 물성을 유지하기가 어렵고, 100㎛를 초과할 경우에는 저항층으로 작용하게 된다.The thickness of the porous substrate is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 100 μm, more preferably in the range of 5 to 50 μm. If it is less than 1㎛ it is difficult to maintain the mechanical properties, if it exceeds 100㎛ acts as a resistive layer.
상기 다공성 기재 중 기공 크기 및 기공도는 특별한 제한이 없으며, 기공도는 5 내지 95%가 바람직하다. 기공 크기(직경)는 0.01 내지 50㎛가 바람직하며, 0.1 내지 20㎛가 더욱 바람직하다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.01㎛ 및 5% 미만일 경우 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기 및 기공도가 50㎛ 및 95%를 초과할 경우에는 기계적 물성을 유지하기가 어렵게 된다. Pore size and porosity of the porous substrate is not particularly limited, porosity is preferably 5 to 95%. The pore size (diameter) is preferably 0.01 to 50 µm, more preferably 0.1 to 20 µm. When the pore size and porosity are less than 0.01 μm and 5%, respectively, it acts as a resistive layer, and when the pore size and porosity exceeds 50 μm and 95%, it becomes difficult to maintain mechanical properties.
상기 다공성 기재는 섬유 또는 막(membrane) 형태일 수 있으며, 섬유일 경우에는 다공성 웹(web)을 형성하는 부직포로서, 장섬유로 구성된 스폰본드(Spunbond) 또는 멜트 블로운(Melt blown) 형태인 것이 바람직하다. The porous substrate may be in the form of fibers or membranes, and in the case of fibers, a nonwoven fabric that forms a porous web, and may be in the form of a spunbond or melt blown composed of long fibers. desirable.
스폰본드 공법은 하나의 연속 공정을 거치는 것으로, 열을 받아 용융되어 장섬유를 형성하게 되며 뜨거운 공기에 의해 연신(stretching)되어 웹을 형성하는 것이다. 멜트 블로운 공법은 섬유를 형성할 수 있는 고분자를 수 백 개의 작은 오리피스(orifice)로 형성된 방사구금을 통해 방사하는 공정으로서, 직경이 10㎛ 이하의 미세 섬유들이 상호 결합하여 거미줄과 같은 구조 형태(spider-web structure)를 가지는 3차원적 섬유이다. The spawn bond method is a single continuous process, receives heat and melts to form long fibers, and is stretched by hot air to form a web. The melt blown process is a process of spinning a polymer capable of forming a fiber through a spinneret formed of hundreds of small orifices. It is a three-dimensional fiber with a spider-web structure.
본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름에서, 다공성 기재의 표면 또는 기재 중 기공부 일부를 코팅하여 형성되는 활성층 성분 중 하나는 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기물 입자가 바람직하며, 특히 10 이상의 고유전율 상수를 가지며, 밀도가 낮은 무기물 입자가 더욱 바람직하다. 이는 전지내 리튬 이온을 용이하게 전달할 수 있기 때문이다. 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), BaTiO3, hafnia (HfO2), SrTiO3, TiO2, Al2O 3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO, Y2O3 또는 이들의 혼합체 등이 있다. In the organic / inorganic composite porous film of the present invention, one of the active layer components formed by coating a part of the pores of the surface of the porous substrate or the substrate is preferably an inorganic particle having a high dielectric constant constant of 5 or more, in particular a high dielectric constant of 10 or more And inorganic particles having a low density are more preferable. This is because lithium ions in the battery can be easily transferred. Non-limiting examples of inorganic particles having a high dielectric constant of 5 or more include Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT), PB (Mg 3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), BaTiO 3 , hafnia (HfO 2 ), SrTiO 3 , TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, CaO, ZnO, Y 2 O 3 or a mixture thereof.
상기 무기물 입자의 크기는 제한이 없으나, 1㎚ 내지 10㎛ 범위인 것이 바람직하다. 1㎚ 미만일 경우에는 분산성이 저하되어 활성층의 구조 및 물성을 조절하기가 어려우며, 10㎛를 초과할 경우에는 유/무기 복합 다공성 필름의 기공 크기 및 기공부를 감소시켜 기계적 물성을 저하시킬 수 있다. The size of the inorganic particles is not limited, but is preferably in the range of 1nm to 10㎛. If it is less than 1 nm, it is difficult to control the structure and physical properties of the active layer due to the deterioration of dispersibility, and if it exceeds 10 μm, the mechanical properties may be reduced by reducing the pore size and pore portion of the organic / inorganic composite porous film. .
종래 기술에서는 상기 다공성 기재 상에 무기물 입자를 단독으로 피복시키거나 또는 무기물 입자의 접착력 향상을 위해 폴리비닐알콜과 같은 유기 결착제를 사용하여 피복하였으나, 전해질의 구조적 안전성이 저하될 뿐만 아니라 상기 유기 결착제가 전해액에 완전히 용해되어 무기물들 사이의 접착력 약화 및 이로 인한 기공 구조의 와해 등이 발생하였다. In the prior art, the inorganic particles are coated on the porous substrate alone or coated with an organic binder such as polyvinyl alcohol to improve the adhesion of the inorganic particles, but the structural safety of the electrolyte is not only lowered but the organic binder is also reduced. I was completely dissolved in the electrolyte, resulting in a weakening of the adhesion between the inorganic materials and the breakage of the pore structure.
이에 본 발명은 전해액에 녹지 않으나, 전해액이 함침(swelling)되어 겔화 가능한 고분자를 사용함으로써, 무기물 입자를 안정하게 고정시킬 뿐만 아니라 구조적 안전성을 향상시키고, 높은 이온 전도도 및 전해액에 대한 함침율 증가에 의해 전지 성능을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the present invention is not dissolved in the electrolyte, but by using a polymer that can be gelated by swelling the electrolyte, not only stably fixing the inorganic particles but also improving structural safety, and by increasing the ionic conductivity and the impregnation rate for the electrolyte Battery performance can be improved.
그러므로 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름에서, 다공성 기재 표면 또는 기재 중 기공부 일부를 코팅하여 형성되는 활성층 중 다른 성분으로는 용해도 지수가 15 내지 45 MPa1/2 인 고분자가 바람직하다. 특히, 15 내지 25 MPa1/2 및 30 내지 45 MPa1/2 범위가 더욱 바람직하다. 이는 상기 고분자가 전해액 함침에 의해 겔화됨으로써 무기물 입자의 바인더 역할을 충실히 할 뿐만 아니라, 높은 전해액 함침율(degree of swelling)을 나타낼 수 있기 때문이다. 따라서 폴리올레핀류와 같은 소 수성 고분자들보다는 극성기를 많이 가진 친수성 고분자들이 바람직하다. 용해도 지수가 15 MPa1/2 미만 및 45 MPa1/2를 초과할 경우, 통상적인 전지용 액체 전해액에 의해 함침(swelling)되기 어려우며, 상기 범위 중 25 내지 30 MPa1/2 의 범위일 경우에는 통상적인 전지용 액체 전해액과 용해도 지수가 거의 일치하여 겔화를 넘어서 전해액에 용해될 수 있다.Therefore, in the organic / inorganic composite porous film of the present invention, a polymer having a solubility index of 15 to 45 MPa 1/2 is preferable as another component in the porous substrate surface or an active layer formed by coating a portion of the pores in the substrate. In particular, the range of 15 to 25 MPa 1/2 and 30 to 45 MPa 1/2 is more preferred. This is because the polymer is gelled by the electrolyte solution impregnation, thereby not only fulfilling the role of the binder of the inorganic particles but also exhibiting a high degree of electrolyte impregnation (degree of swelling). Therefore, hydrophilic polymers having many polar groups are preferable to hydrophobic polymers such as polyolefins. When the solubility index is less than 15 MPa 1/2 and more than 45 MPa 1/2 , it is difficult to be swelled by a conventional battery liquid electrolyte, and in the range of 25 to 30 MPa 1/2 of the above range, The solubility index of the liquid electrolyte for phosphorus batteries and the solubility index are almost the same and can be dissolved in the electrolyte beyond gelation.
또한, 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)가 -200 내지 100℃ 범위인 고분자가 바람직하다. 이는 유연성 및 탄성 등과 같은 기계적 물성을 향상시킬 수 있기 때문이다. In addition, polymers having a glass transition temperature (Tg) in the range of -200 to 100 ° C are preferred. This is because mechanical properties such as flexibility and elasticity can be improved.
상기 유리 전이 온도가 200 내지 100℃ 범위이며, 용해도 지수가 15 내지 45 MPa1/2인 고분자의 비제한적인 예로는 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose) 또는 이들의 혼합체 등이 있다. 이외에도 상술한 특성을 포함하는 물질이라면 어느 재료라도 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.Non-limiting examples of the polymer having a glass transition temperature in the range of 200 to 100 ° C. and a solubility index of 15 to 45 MPa 1/2 are polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene. , Polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene, polymethylmethacrylate, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylacetate ( polyvinylacetate, polyethylene-co-vinyl acetate, polyethylene oxide, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate ), Cyanoethylpullulan, cyanoethylpolylue Cyanoethylpolyvinylalcohol, cyanoethylcellulose, cyanoethylsucrose, pullulan, carboxyl methyl cellulose, or mixtures thereof. In addition, any material can be used singly or in combination as long as it contains the above-described properties.
상기 무기물 입자 대 고분자의 조성비(중량%)는 크게 제한이 없으나, 10:90 내지 99:1가 적절하며, 50:50 내지 99:1이 바람직하다. 10:90의 조성비보다 미만일 경우 활성층 내에 원하는 수준의 기공도가 형성되기 어려워 전지 성능 저하가 생기며, 99:1의 조성비를 초과할 경우에는 무기물 사이의 접착력 약화로 인해 기계적 물성이 저하된다.The composition ratio (weight%) of the inorganic particles to the polymer is not particularly limited, but 10:90 to 99: 1 is appropriate, and 50:50 to 99: 1 is preferable. If the composition ratio is less than 10:90, a desired level of porosity is hardly formed in the active layer, thereby deteriorating battery performance. If the composition ratio of 99: 1 is exceeded, mechanical properties are degraded due to weak adhesion between inorganic materials.
본 발명의 활성층은 상기에 기재된 무기물 입자 및 고분자 이외에, 용매 및 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.The active layer of the present invention may further include a solvent and other additives in addition to the inorganic particles and the polymer described above.
종래 기술이 폴리올레핀 계열 다공성 기재에 리튬 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자로 코팅한 것에 비해, 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 용융 온도 200℃ 이상의 다공성 기재를 사용하여 물리적 안전성을 도모할 뿐만 아니라 고유전율 무기물 입자 및 용해도 지수가 15 내지 45 MPa1/2 인 고분자를 함께 혼합하여 활성층 성분으로 사용함으로써 구조적 안전성을 향상시킬 수 있다.Compared to the conventional technology in which the polyolefin-based porous substrate is coated with inorganic particles having lithium ion transfer ability, the organic / inorganic composite porous film of the present invention not only promotes physical safety by using a porous substrate having a melting temperature of 200 ° C. or higher but also inherently It is possible to improve the structural safety by mixing together the electrophoretic inorganic particles and the polymer having a solubility index of 15 to 45 MPa 1/2 as the active layer component.
다공성 기재에 무기물 및 고분자의 혼합물로 이루어진 활성층이 코팅된 후, 상기 유/무기 복합 다공성 필름의 기공 크기는 0.001㎛(1㎚) 내지 10㎛ 범위가 바람 직하며, 기공도(porosity)는 5 내지 95% 범위가 바람직하다. 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 기재 자체 내에 기공부가 포함될 뿐만 아니라, 기재 상에 형성된 활성층 중 무기물 입자들 사이의 공간으로 인해 기재와 활성층 모두 다공성 구조를 형성하게 되므로, 이를 통해 전해액이 들어갈 공간이 증가하여 리튬 이온의 확산 및 전도도가 상승하는 효과를 나타낼 수 있다. After coating an active layer made of a mixture of inorganic material and polymer on the porous substrate, the pore size of the organic / inorganic composite porous film is preferably in the range of 0.001 μm (1 nm) to 10 μm, and porosity is 5 to 5. The 95% range is preferred. The organic / inorganic composite porous film of the present invention not only includes pores in the substrate itself, but also forms a porous structure in both the substrate and the active layer due to the space between the inorganic particles in the active layer formed on the substrate, thereby allowing the electrolyte solution to enter. The increase in space may have an effect of increasing the diffusion and conductivity of lithium ions.
상기 유/무기 복합 다공성 필름의 두께는 1 내지 100㎛ 범위인 것이 바람직하며, 특히 2 내지 30㎛ 범위인 것이 더욱 바람직하다. 상기 두께 범위를 조절함으로써 전지 성능 향상을 도모할 수 있다. The thickness of the organic / inorganic composite porous film is preferably in the range of 1 to 100 μm, more preferably in the range of 2 to 30 μm. By adjusting the thickness range, battery performance can be improved.
본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 최종 전지의 특성에 따라 기존 폴리올레핀 계열 기공 분리막을 함께 사용하여 전지에 적용될 수 있다.The organic / inorganic composite porous film of the present invention can be applied to a battery using a conventional polyolefin-based pore separator according to the characteristics of the final battery.
본 발명에 따라 기공부를 갖고, 용융 온도 200℃ 이상인 다공성 기재의 표면 또는 기재 중 기공부에 고유전율 무기물 입자 및 겔화 가능한 고분자의 혼합물을 코팅하는 방법은 당업계에 알려진 통상적인 코팅 방법을 사용할 수 있다.According to the present invention, a method of coating a mixture of high dielectric constant inorganic particles and gelable polymers on the surface of a porous substrate having a pore portion and a melting temperature of 200 ° C. or higher in the pores of the substrate may be a conventional coating method known in the art. have.
이하, 본 발명에 따른 제조 방법의 일 실시 형태를 들면, a) 용해도 지수가 15 내지 45 MPa1/2 인 고분자를 용매에 용해시키는 단계; b) 5 이상의 유전율 상수를 갖는 무기물 입자를 상기 단계 a)의 고분자 용액에 첨가 및 혼합하는 단계; 및 c) 기공을 갖고, 용융 온도가 200℃ 이상인 다공성 기재의 표면 또는 기재 중 기공부 일부를 상기 단계 b)의 혼합물로 코팅 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다.Hereinafter, for one embodiment of the production method according to the present invention, a) dissolving a polymer having a solubility index of 15 to 45 MPa 1/2 in a solvent; b) adding and mixing inorganic particles having a dielectric constant of at least 5 to the polymer solution of step a); And c) coating and drying the surface of the porous substrate having a pore, a melting temperature of 200 ° C. or more, or a portion of the pores of the substrate with the mixture of step b).
우선, 용해도 지수가 15 내지 45 MPa1/2 인 고분자를 적절한 유기 용매에 용해 시켜 고분자 용액을 제조한다.First, a polymer solution is prepared by dissolving a polymer having a solubility index of 15 to 45 MPa 1/2 in an appropriate organic solvent.
용매로는 상기 고분자와 용해도 지수가 유사하며, 끓는점(boiling point)이 낮은 것이 바람직하다. 이는 혼합이 균일하게 이루어질 수 있으며, 이후 용매를 용이하게 제거할 수 있기 때문이다. 상기 용매의 비제한적인 예로는 아세톤 (acetone), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드 (methylene chloride), 클로로포름 (chloroform), 디메틸포름아미드 (dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, ㎚P), 시클로헥산 (cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다.As the solvent, the solubility index is similar to that of the polymer, and the boiling point is preferably low. This is because mixing can be made uniform, and then the solvent can be easily removed. Non-limiting examples of the solvent include acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone (N -methyl-2-pyrrolidone, nmP), cyclohexane, water or a mixture thereof.
제조된 고분자 용액에 고유전율 무기물 입자를 첨가 및 분산시켜 무기물 입자 및 고분자 혼합물을 제조한다. The inorganic particles and the polymer mixture are prepared by adding and dispersing high dielectric constant inorganic particles in the prepared polymer solution.
상기에 있어서, 고분자 용액에 고유전율 무기물 입자를 첨가한 후, 무기물 입자의 파쇄를 실시하는 것이 바람직하다. 이때 파쇄 시간은 1 내지 20시간이 적절하며, 파쇄된 무기물 입자의 입도는 상기에 언급된 바와 같이 1㎚ 내지 10㎛가 바람직하다. 파쇄 방법으로는 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 특히 볼밀(ball mill)법이 바람직하다. In the above, after adding a high dielectric constant inorganic particle to a polymer solution, it is preferable to grind | pulverize an inorganic particle. In this case, the crushing time is suitably 1 to 20 hours, and the particle size of the crushed inorganic particles is preferably 1 nm to 10 μm as mentioned above. As the shredding method, a conventional method can be used, and a ball mill method is particularly preferable.
무기물 입자 및 고분자로 구성되는 혼합물의 조성은 크게 제약이 없으나, 이에 따라 최종 제조되는 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름의 두께, 기공 크기 및 기공도를 조절할 수 있다. The composition of the mixture consisting of inorganic particles and polymers is not particularly limited, and thus the thickness, pore size and porosity of the organic / inorganic composite porous film of the present invention can be adjusted.
즉, 고분자(P) 대비 무기물 입자(I)의 비(ratio = I/P)가 증가할수록 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름의 기공도가 증가하게 되며, 이는 동일한 고형분 함량 (무기물 입자 중량+고분자 중량)에서 유/무기 복합 다공성 필름의 두께가 향상되는 결과를 초래하게 된다. 또한, 무기물 입자들간의 기공 형성 가능성이 증가하여 기공 크기가 증가하게 되는데, 이때 무기물 입자의 크기(입경)가 커질수록 무기물들 사이의 간격(interstitial distance)이 커지므로, 기공 크기가 증가하게 된다.That is, as the ratio (ratio = I / P) of the inorganic particles (I) to the polymer (P) increases, the porosity of the organic / inorganic composite porous film of the present invention increases, which is the same solid content (inorganic particle weight + High molecular weight) resulting in an increase in the thickness of the organic / inorganic composite porous film. In addition, the pore size of the inorganic particles increases, so that the pore size increases. At this time, as the size (particle diameter) of the inorganic particles increases, the interstitial distance between the inorganic particles increases, thereby increasing the pore size.
제조된 무기물 입자 및 고분자의 혼합물을 준비된 다공성 기재 상에 코팅하고, 이후 건조함으로써 완료된다. 이때, 다공성 기재 상에 상기 무기물 입자 및 고분자의 혼합물을 코팅하는 공정은 통상적인 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 딥(Dip) 코팅, 다이(Die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 콤마(comma) 코팅 또는 이들의 혼합 방식을 통해 도포하는 것이 바람직하다.The mixture of the prepared inorganic particles and the polymer is coated on the prepared porous substrate and then dried. In this case, the process of coating the mixture of the inorganic particles and the polymer on the porous substrate may use a conventional coating method, Dip coating, Die coating, roll coating, comma coating Or it is preferable to apply | coat through these mixing system.
상기와 같이 제조된 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 리튬 이차 전지의 분리막(separator)으로 이용하여 전지를 조립한 후, 전해액 주입에 의해 전해액과 고분자가 반응하여 겔화되어 겔형 유/무기 복합 전해질을 형성할 수 있다.The organic / inorganic composite porous film of the present invention prepared as described above is assembled into a battery using a separator of a lithium secondary battery, and then gelled by reacting an electrolyte solution with a polymer by injection of an electrolyte solution. Can be formed.
본 발명의 겔형 유/무기 복합 전해질은 종래 기술의 겔형 고분자 전해질에 비하여 제조 공정이 용이하며, 다공성 구조로 인해 주입되는 액체 전해액이 채울 공간이 다수 존재하여 높은 이온 전도도 및 전해액 함침율을 나타내어 전지 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한, 기존의 소수성 폴리올레핀 계열 분리막에 비해 친수성인 무기물 및 고분자를 사용함으로써, 전지용 전해액에 대한 젖음성(wetting)이 개선될 뿐만 아니라 종래에 사용하기 힘들었던 전지용 극성 전해액에 대한 사용이 가능한 장점이 있다.The gel-type organic / inorganic composite electrolyte of the present invention is easier to manufacture than the gel polymer electrolyte of the prior art, and due to the porous structure, there are a large number of spaces filled with the liquid electrolyte to be injected, thereby exhibiting high ion conductivity and electrolyte impregnation rate. Can be significantly improved. In addition, by using a hydrophilic inorganic material and a polymer compared to the conventional hydrophobic polyolefin-based separator, the wettability (wetting) for the battery electrolyte is not only improved, but there is an advantage that can be used for the polar electrolyte solution for the battery, which was difficult to use in the prior art.
또한, 본 발명은 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 본 발명의 유/ 무기 복합 다공성 필름 및 전해액을 포함하며, 상기 전해액이 유/무기 복합 다공성 필름 내 기공, 고분자 또는 양쪽 모두에 함침되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 소자를 제공한다. 이때, 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름 이외에 기존의 폴리올레핀 계열 분리막을 함께 사용 및 적용할 수 있다.In addition, the present invention comprises an anode, a cathode, the organic / inorganic composite porous film and the electrolyte of the present invention interposed between the anode and the cathode, the electrolyte is impregnated in the pores, polymer or both in the organic / inorganic composite porous film It provides an electrochemical device characterized in that. In this case, in addition to the organic / inorganic composite porous film of the present invention can be used and applied with the existing polyolefin-based separator.
상기 전기 화학 소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 1차, 2차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 캐퍼시터(capacitor) 등이 있다. 상기 전기 화학 소자에 포함된 유/무기 복합 다공성 필름은 본 발명에서와 동일하게 분리막이자 전해질의 역할을 한다.The electrochemical device includes all devices that undergo an electrochemical reaction, and specific examples thereof include all kinds of primary, secondary cells, fuel cells, solar cells, or capacitors. The organic / inorganic composite porous film included in the electrochemical device functions as a separator and an electrolyte as in the present invention.
추가적으로, 본 발명은 a) 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 양극활물질을 포함하는 양극; b) 리튬을 흡장 및 방출할 수 있는 음극활물질을 포함하는 음극; c) 상기의 유/무기 복합 다공성 필름; 및 전해액을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다. Additionally, the present invention provides a positive electrode comprising a) a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium; b) a negative electrode comprising a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium; c) the organic / inorganic composite porous film; And it provides a lithium secondary battery comprising an electrolyte solution.
상기 리튬 이차 전지는 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함한다. The lithium secondary battery includes a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery or a lithium ion polymer secondary battery.
리튬 이차 전지는 당 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있으며, 예를 들면 양극과 음극 사이에 상기의 유/무기 복합 다공성 필름을 넣고 액체 전해액을 투입하여 제조한다.The lithium secondary battery may be manufactured by a conventional method known in the art, and for example, the organic / inorganic composite porous film is inserted between a positive electrode and a negative electrode and then a liquid electrolyte is added thereto.
유/무기 복합 다공성 필름과 함께 적용될 전극으로는 크게 제한이 없으나, 양극 활물질은 리튬 망간 산화물(lithiated magnesium oxide), 리튬 코발트 산화물(lithiated cobalt oxide), 리튬 니켈 산화물 (lithiated nickel oxide) 또는 이들 의 조합에 의해서 형성되는 복합 산화물 등과 같이 리튬 흡착 물질(lithium intercalation material)을 주성분으로 하고, 이것이 양극 전류 집전체, 즉 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의해서 제조되는 호일(foil)과 결착된 형태로 양극이 구성된다.The electrode to be used together with the organic / inorganic composite porous film is not particularly limited, but the positive electrode active material is lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, or a combination thereof. The main component is a lithium intercalation material such as a composite oxide formed by the anode, and the anode is bound to a foil manufactured by a cathode current collector, that is, aluminum, nickel, or a combination thereof. It is composed.
음극 물질은 리튬 금속, 또는 리튬 합금과 카본(carbon), 석유 코크(petroleum coke), 활성화 카본(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 카본류 등과 같은 리튬 흡착 물질을 주성분으로 하고, 이것이 음극 전류 집전체, 즉 구리, 금, 니켈 혹은 구리 합금 혹은 이들의 조합에 의해서 제조되는 호일과 결착된 형태로 음극이 구성된다.The negative electrode material is mainly composed of lithium metal or lithium alloy and lithium adsorption material such as carbon, petroleum coke, activated carbon, graphite or other carbons. The negative electrode is configured in the form of a binder bound to a current collector, that is, a foil made of copper, gold, nickel or a copper alloy or a combination thereof.
본 발명에서 사용될 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+ , Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고, B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, ASF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF 2SO2)3 -와 같은 음이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디프로필카보네이트 (dipropyl carbonate, DPC), 디메틸설프옥사이드 (dimethyl sulfoxide), 아세토니트릴 (acetonitrile), 디메톡시에탄 (dimethoxyethane), 디에톡시에탄 (diethoxyethane), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, ㎚P), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate, EMC), 감마 부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 및 해리된 것이 바람직하다.An electrolytic solution used in the present invention is A + B - A salt of the structure, such as, A + is Li +, Na +, and comprising an alkali metal cation or an ion composed of a combination thereof, such as K +, B - is PF 6 - , BF 4 -, Cl -, Br -, I -, ClO 4 -, ASF 6 -, CH 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, N (CF 3 SO 2) 2 -, C (CF 2 SO 2 3 ) Salts containing ions consisting of anions such as 3 - or combinations thereof include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), and dimethyl carbonate (dimethyl). carbonate, DMC), dipropyl carbonate (DPC), dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolidone, nmP), ethyl methyl carbonate preferably dissolved and dissociated in an organic solvent consisting of hyl carbonate, EMC), gamma butyrolactone or mixtures thereof.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 유/무기 복합 다공성 필름 및 양극과 음극을 이용하여 전지를 조립하고 여기에 전해액을 주입하면, 상기 유/무기 복합 다공성 필름에 코팅된 활성층 중의 고분자가 전해액과 반응하여 겔형 고분자 전해질을 형성할 수 있다. As described above, when the battery is assembled using the organic / inorganic composite porous film prepared according to the present invention and the positive electrode and the negative electrode and the electrolyte is injected therein, the polymer in the active layer coated on the organic / inorganic composite porous film is the electrolyte solution. It can react with to form a gel polymer electrolyte.
상기 전해액 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지 조립 전 또는 전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.The electrolyte injection may be performed at an appropriate stage of the battery manufacturing process, depending on the manufacturing process and the required physical properties of the final product. That is, it may be applied before the battery assembly or at the end of battery assembly.
본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름을 전지로 적용하는 공정으로는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination) 및 접음(folding) 공정이 가능하다. As a process of applying the organic / inorganic composite porous film of the present invention to a battery, a lamination and folding process of a separator and an electrode may be performed in addition to a general winding process.
상기 공정 중, 특히 적층(lamination) 공정은 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름 중 활성층의 우수한 접착력 특성으로 인해 쉽게 조립이 가능한 장점이 있다. 이때 활성층 성분인 무기물 입자 및 고분자의 함량에 의해 접착력 특성이 조절될 수 있다.In the above process, in particular the lamination process (lamination) has the advantage that can be easily assembled due to the excellent adhesion properties of the active layer in the organic / inorganic composite porous film of the present invention. At this time, the adhesion property may be controlled by the content of the inorganic particles and the polymer of the active layer component.
본 발명은 하기의 실시예 및 실험예에 의거하여 더욱 상세히 설명된다. 단, 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 이들만으로 한정하는 것은 아니다. The invention is explained in more detail based on the following examples and experimental examples. However, Examples and Experimental Examples are for illustrating the present invention and are not limited to these.
실시예 1. 유/무기 복합 다공성 필름(PVdF-CTFE/BaTiOExample 1. Organic / Inorganic Composite Porous Film (PVdF-CTFE / BaTiO) 33 ) 제조) Produce
폴리비닐리덴플로라이드-클로로트리플로로에틸렌 공중합체 (PVdF-CTFE) 고분자를 아세톤에 약 5 중량% 첨가한 후, 50℃의 온도에서 약 12시간 이상 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다. 이 고분자 용액에 BaTiO3 분말을 고형분 20 중량% 농도로 첨가하고 12시간 이상 볼밀(ball mill)법을 이용하여 BaTiO3 분말을 약 300㎚로 파쇄 및 분산하여 슬러리를 제조하였다. 이와 같이 제조된 슬러리를 딥(dip) 코팅법을 이용하여 두께 20㎛ 정도의 폴리에틸렌테레프탈레이트 기공막(기공도 80%)에 코팅하였으며, 코팅 두께는 약 2㎛ 정도로 조절하였다. 기공율 측정 장치(porosimeter)로 측정한 결과, 폴리에틸렌테레프탈레이트 다공성 기재에 함침 및 코팅된 활성층 내의 기공 크기 및 기공도는 각각 0.3㎛ 및 55% 였으며, 이의 구조도는 도 1과 같다.A polyvinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer (PVdF-CTFE) polymer was added to acetone in about 5% by weight, and then dissolved at a temperature of 50 ° C. for about 12 hours or more to prepare a polymer solution. A slurry was prepared by adding BaTiO 3 powder to the polymer solution at a concentration of 20% by weight of solids and crushing and dispersing BaTiO 3 powder at about 300 nm using a ball mill method for 12 hours or more. The slurry thus prepared was coated on a polyethylene terephthalate pore membrane (porosity 80%) having a thickness of about 20 μm by using a dip coating method, and the coating thickness was adjusted to about 2 μm. The porosity and porosity in the active layer impregnated and coated on the polyethylene terephthalate porous substrate were 0.3 μm and 55%, respectively, and the structure thereof is shown in FIG. 1.
실시예 2. 유/무기 복합 다공성 필름 제조Example 2. Preparation of Organic / Inorganic Composite Porous Film
BaTiO3 분말 대신 PMNPT 분말을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 기공율 측정 장치로 측정한 결과, 기공 크기 및 기공도는 각각 0.4㎛ 및 60%였다(도 1 참조).The same procedure as in Example 1 was repeated except that PMNPT powder was used instead of BaTiO 3 powder. As a result of measuring by the porosity measuring apparatus, pore size and porosity were 0.4 micrometer and 60%, respectively (refer FIG. 1).
실시예 3. 유/무기 복합 다공성 필름 제조Example 3. Preparation of Organic / Inorganic Composite Porous Film
BaTiO3 분말 대신 BaTiO3과 Al2O3의 혼합 분말(중량비=30:70)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 기공율 측정 장치로 측정한 결 과, 기공 크기 및 기공도는 각각 0.2㎛ 및 50%였다(도 1 참조).BaTiO 3 powder instead of BaTiO 3 and the mixture powder of the Al 2 O 3 (weight ratio = 30:70), except that a was performed in the same manner as in Example 1. As a result, the pore size and porosity were 0.2 μm and 50%, respectively, measured by the porosity measuring device (see FIG. 1).
실시예 4. 유/무기 복합 다공성 필름(CMC/BaTiOExample 4. Organic / Inorganic Composite Porous Film (CMC / BaTiO) 33 ) 제조) Produce
카르복실 메틸 셀룰로오스(Carboxyl Methyl Cellulose: CMC) 고분자를 물에 약 2 중량% 첨가하여 60℃의 온도에서 약 12시간 이상 용해시켜 고분자 용액을 제조한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 기공율 측정 장치로 측정한 결과, 폴리에틸렌테레프탈레이트 다공성 기재에 함침 및 코팅된 활성층 내의 기공 크기 및 기공도는 각각 0.4㎛ 및 58%였다(도 1 참조).Carboxyl Methyl Cellulose (CMC) was added to the polymer about 2% by weight in water and dissolved for at least 12 hours at a temperature of 60 ℃, except that the polymer solution was prepared in the same manner as in Example 1 It was. As measured by the porosity measuring device, the pore size and porosity in the active layer impregnated and coated on the polyethylene terephthalate porous substrate were 0.4 μm and 58%, respectively (see FIG. 1).
실시예 5-8. 리튬 이차 전지Example 5-8. Lithium secondary battery
양극 제조Anode manufacturing
양극 활물질로 LiCoO2 92 중량%, 도전재로 카본 블랙(carbon black) 4 중량%, 결합제로 PVdF 4 중량%를 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(㎚P)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 혼합물 슬러리를 양극 집전체인 두께가 20㎛ 정도의 알루미늄 박막에 도포 및 건조하여 양극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하였다.92% by weight of LiCoO 2 as a positive electrode active material, 4% by weight carbon black as a conductive material and 4% by weight PVdF as a binder were added to N-methyl-2pyrrolidone (nmP) as a solvent to prepare a positive electrode mixture slurry. Prepared. The positive electrode mixture slurry was coated and dried on an aluminum thin film having a thickness of about 20 μm, which is a positive electrode current collector, to prepare a positive electrode, and then roll press was performed.
음극 제조Cathode manufacturing
음극 활물질로 탄소 분말, 결합제로 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF), 도전재로 카본 블랙(carbon black)을 각각 96 중량%, 3 중량% 및 1 중량%로 하여 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 혼합물 슬러리를 음극 집전체인 두께가 10㎛인 구리 박막에 도포 및 건조하여 음극을 제조한 후, 롤 프레 스(roll press)를 실시하였다. The negative electrode mixture slurry was prepared by adding carbon powder as a negative electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder, and carbon black as a conductive material at 96% by weight, 3% by weight, and 1% by weight, respectively, to NMP as a solvent. Was prepared. The negative electrode mixture slurry was coated and dried on a copper thin film having a thickness of 10 μm, which is a negative electrode current collector, to prepare a negative electrode, and then roll press was performed.
전지 제조Battery manufacturing
상기 양극, 음극 및 실시예 1 내지 4에서 제조된 각 유/무기 복합 다공성 필름을 스태킹(stacking) 방식을 이용하여 조립하였으며, 조립된 전지에 1M의 리튬헥사플로로포스페이트(LiPF6)이 용해된 에틸렌카보네이트/에틸메틸카보네이트 (EC/EMC=1:2, 부피비)계 전해액을 주입하여 실시예 5 내지 8의 리튬 이차 전지를 제조하였다.The positive electrode, the negative electrode, and each of the organic / inorganic composite porous films prepared in Examples 1 to 4 were assembled using a stacking method, in which 1 M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved. The lithium secondary batteries of Examples 5 to 8 were prepared by injecting an ethylene carbonate / ethyl methyl carbonate (EC / EMC = 1: 2, volume ratio) electrolyte.
비교예 1. 리튬 이차 전지Comparative Example 1. Lithium Secondary Battery
PP/PE/PP 분리막을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 5와 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 5, except that the PP / PE / PP separator was used.
실험예 1. 유무기 복합 다공성 필름의 열 수축 분석 Experimental Example 1. Heat shrinkage analysis of organic-inorganic composite porous film
본 발명에 따라 제조된 유/무기 복합 다공성 필름을 기존 분리막과 비교하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다.In order to compare the organic / inorganic composite porous film prepared according to the present invention with a conventional separator, the following experiment was performed.
시료로는 실시예 1에서 제조된 PVdF-CTFE/BaTiO3을 사용하였으며, 대조군으로 PP/PE/PP 분리막을 사용하였다.PVdF-CTFE / BaTiO 3 prepared in Example 1 was used as a sample, and a PP / PE / PP separator was used as a control.
상기의 각 시료들을 상온 및 150℃의 온도에서 1시간 방치한 후, 이들을 수집하여 확인한 결과, 상온의 온도에서는 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름과 대조군 모두 양호한 상태를 보여 주었으나(도 2a 참조), 150℃의 온도에서 1시간 경과한 경우에는 서로 다른 양태를 나타내었다. 대조군의 PP/PE/PP 분리막은 고온으로 인해 수축하여 거의 형체만 남은 모습을 보여주었으나, 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 열 수축이 전혀 나타나지 않아, 상온에서와 동일하게 양호한 상태를 보여주었다(도 2b 참조).After leaving each sample for 1 hour at room temperature and 150 ℃, and collected and confirmed, the organic / inorganic composite porous film and the control of the present invention showed a good state at room temperature (see Figure 2a) In the case where 1 hour has elapsed at a temperature of 150 ° C., different embodiments are shown. The PP / PE / PP separator of the control group showed shrinkage due to high temperature and remained almost in shape. However, the organic / inorganic composite porous film of the present invention showed no heat shrinkage at all, and thus showed the same good condition as at room temperature. (See FIG. 2B).
이로서, 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 탁월한 열적 안전성을 가짐을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the organic / inorganic composite porous film of the present invention has excellent thermal safety.
실험예 2. 리튬 이차 전지의 성능 평가Experimental Example 2. Performance Evaluation of Lithium Secondary Battery
본 발명에서 제조된 유/무기 복합 다공성 필름을 포함하는 리튬 이차 전지의 충방전 용량을 측정하기 위하여, 하기와 같이 수행하였다.In order to measure the charge and discharge capacity of the lithium secondary battery including the organic / inorganic composite porous film prepared in the present invention, it was performed as follows.
실시예 5 내지 8에서 제조된 리튬 이차 전지를 사용하였으며, 대조군으로 상용화된 PP/PE/PP 분리막을 사용한 비교예 1의 전지를 사용하였다. 전지 용량이 760mAh인 각 전지들을 0.5C, 1C, 2C의 방전 속도로 사이클링을 하였으며, 이들의 방전 용량을 C-rate 특성별로 도식하여 하기 표 1에 기재하였다.The lithium secondary batteries prepared in Examples 5 to 8 were used, and the battery of Comparative Example 1 using a commercially available PP / PE / PP separator was used as a control. Each battery having a battery capacity of 760mAh was cycled at a discharge rate of 0.5C, 1C, and 2C, and their discharge capacities are shown in Table 1 by plotting C-rate characteristics.
실험 결과, 본 발명에서 제조된 유/무기 복합 다공성 필름을 포함하는 리튬 이차 전지는 2C의 방전 속도까지 기존 폴리올레핀 계열 분리막에 비해 우수한 고율 방전(C-rate) 특성을 보여주었다(표 1 참조).As a result, the lithium secondary battery including the organic / inorganic composite porous film prepared in the present invention showed excellent high-rate discharge (C-rate) characteristics up to 2C discharge rate compared to the existing polyolefin-based separator (see Table 1).
실험예 3. 리튬 이차 전지의 안전성 평가Experimental Example 3. Safety Evaluation of a Lithium Secondary Battery
본 발명에서 제조된 유/무기 복합 다공성 필름을 포함하는 리튬 이차 전지의 안전성을 평가하기 위하여, 하기와 같이 수행하였다.In order to evaluate the safety of the lithium secondary battery including the organic / inorganic composite porous film prepared in the present invention, it was performed as follows.
실시예 5 내지 8에서 제조된 리튬 이차 전지를 사용하였으며, 대조군으로 상용화된 PP/PE/PP 분리막을 사용한 비교예 1의 전지를 사용하였다. 각 전지들을 160℃의 고온에서 1시간 동안 보존하였으며, 이후 전지의 상태를 하기 표 2에 기재하였다.The lithium secondary batteries prepared in Examples 5 to 8 were used, and the battery of Comparative Example 1 using a commercially available PP / PE / PP separator was used as a control. Each cell was stored for 1 hour at a high temperature of 160 ℃, after which the state of the cell is shown in Table 2 below.
실험 결과, 상용화된 PP/PE/PP 분리막을 사용한 비교예 1의 전지는 발화가 발생하였다. 이는 고온 보존에 의해 두 전극인 양극 및 음극의 내부 단락에 의해 전지의 안전성이 저하되는 것을 나타내는 것이다. 이에 비해, 본 발명에서 제조된 유/무기 복합 다공성 필름을 포함하는 리튬 이차 전지는 160℃인 고온에서도 발화 및 연소가 발생하지 않고, 안전한 상태를 보여주었다(표 2 참조).As a result of the experiment, the battery of Comparative Example 1 using a commercialized PP / PE / PP separator fired. This indicates that the safety of the battery is reduced by internal short circuiting of the two electrodes, the positive electrode and the negative electrode, due to high temperature storage. In comparison, the lithium secondary battery including the organic / inorganic composite porous film prepared in the present invention did not generate ignition and combustion even at a high temperature of 160 ° C., and showed a safe state (see Table 2).
이로서, 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름을 포함하는 리튬 이차 전지는 탁월한 안전성을 가짐을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the lithium secondary battery including the organic / inorganic composite porous film of the present invention had excellent safety.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 용융 온도가 200℃ 이상인 내열성 다공성 기재를 사용하여 열 수축 현상이 일어나지 않으므로, 고온 열수축에 의한 전지의 내부 단락 등과 같은 문제점을 해결하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. As described above, since the heat shrinkage phenomenon does not occur using the heat-resistant porous substrate having a melting temperature of 200 ° C. or higher, the organic / inorganic composite porous film of the present invention solves a problem such as an internal short circuit of the battery due to high temperature heat shrinkage. Can improve the safety.
또한, 상기 다공성 기재의 표면 또는 기재 중 기공부 일부에 고유전율 무기물 입자 및 용해도 지수가 15 내지 45 MPa1/2 인 고분자 혼합물을 코팅하여 다공성 구조를 형성함으로써, 리튬 이온 해리가 향상되고, 전해액 함침율이 우수하여 전지의 성능을 개선시킬 수 있다. 또한, 상기 활성층 중 무기물 및 고분자의 함량 조절에 의한 높은 접착력으로 인해 적층(lamination) 공정이 필요한 전지 조립 공정의 경제성을 높일 수 있다. 추가적으로, 상기 유/무기 복합 다공성 필름을 전해질로 사용하여 독립 형태의 필름으로 제조시 야기될 수 있는 취약한 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.In addition, by coating a polymer mixture having a high dielectric constant inorganic particles and a solubility index of 15 to 45 MPa 1/2 on the surface of the porous substrate or a part of the pores of the substrate to form a porous structure, lithium ion dissociation is improved and the electrolyte impregnation Excellent rate can improve battery performance. In addition, due to the high adhesive strength by controlling the content of the inorganic material and the polymer in the active layer, it is possible to increase the economics of the battery assembly process requiring a lamination process (lamination). In addition, the organic / inorganic composite porous film may be used as an electrolyte to improve fragile mechanical properties that may be caused when the film is formed in a free form.
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