KR20070082402A - Organic/inorganic composite porous film and electrochemical device prepared thereby - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따라 제조된 유/무기 복합 다공성 필름의 모식도이다.1 is a schematic diagram of an organic / inorganic composite porous film prepared according to the present invention.
도 2는 실시예 1에서 제조된 유/무기 복합 다공성 필름(PVdF-HFP/다공성 Al2O3)의 SEM 사진이다. FIG. 2 is an SEM image of the organic / inorganic composite porous film (PVdF-HFP / porous Al 2 O 3 ) prepared in Example 1. FIG.
도 3a는 실시예 1에서 제조된 유/무기 복합 다공성 필름(PVdF-HFP/ 다공성 Al2O3) 및 비교예 1의 상용화된 PP/PE/PP 분리막의 상온 보존시의 사진이며, 도 3b는 상기 유/무기 복합 다공성 필름 및 PP/PE/PP 분리막을 각각 150℃에서 1시간 방치한 후의 사진이다.3A is a photograph of the organic / inorganic composite porous film (PVdF-HFP / porous Al 2 O 3 ) prepared in Example 1 and the commercialized PP / PE / PP separator of Comparative Example 1 at room temperature, and FIG. 3B is The organic / inorganic composite porous film and the PP / PE / PP separator are photographs after being left at 150 ° C. for 1 hour.
도 4a와 도 4b는 상용화된 PP/PE/PP 분리막과 실시예 1 에서 제조된 유/무기 복합 다공성 필름(PVdF-HFP/ 다공성 Al2O3)을 각각 구비한 비교예 1 및 실시예 1의 리튬 이차 전지의 과충전 실험 비교 사진이다.4A and 4B illustrate Comparative Examples 1 and 1 each having a commercially available PP / PE / PP separator and an organic / inorganic composite porous film (PVdF-HFP / porous Al 2 O 3 ) prepared in Example 1, respectively. It is a comparison photograph of the overcharge experiment of a lithium secondary battery.
본 발명은 탁월한 열적 안전성 및 성능 향상을 동시에 도모할 수 있는 유/무기 복합 다공성 필름 및 이를 포함하는 전기 화학 소자에 관한 것이다. The present invention relates to an organic / inorganic composite porous film and an electrochemical device including the same, which can simultaneously achieve excellent thermal safety and improved performance.
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. 상기 리튬 이차 전지의 예로는 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. Examples of the lithium secondary battery include 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 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 크다는 장점이 있기 때문에 현재 많은 회사에서 생산되고 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 부 피 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 physical properties that melt 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. Explosion may occur due to short circuit, discharge of electrical energy, etc. 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. 그러나 액체 전해질에 비해 낮은 무기물의 이온 전도도 및 고분자와 혼합시 무기물과 고분자간의 계면 저항 증가 등으로 인해 더 이상의 진전이 없는 것으로 알려졌다. 또한, 상기와 같이 제조된 전해질은 전해질 내 기공이 존재하지 않거나 또는 기공이 존재한다 하더라도 가소제 투입에 의해 형성된 옹스트롬(Å) 단위의 기공 크기 및 낮은 기공도로 인해 분리막으로서의 역할을 충실히 수행하지 못했다. 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. However, it is known that no further progress has been made due to the lower ionic conductivity of inorganic materials and the increase of interfacial resistance between inorganic materials and polymers when mixed with polymers. In addition, the electrolyte prepared as described above did not faithfully perform its role as a separator due to the pore size and low porosity of the angstrom unit formed by the plasticizer injection even if there were no pores or electrolytes in the electrolyte.
본 발명자들은 (1) 무기물 입자와 (2) 바인더 고분자를 구성 성분으로 사용하여 형성된 유/무기 복합 다공성 필름이 열적 안전성을 향상시킬 뿐만 아니라, 필름 내 무기물 입자들에 의해 형성된 기공 구조(pore structure)로 인해 리튬 이온 이동 통로 역할을 하는 분리막으로서의 역할을 충실히 수행할 수 있다는 것을 밝혀내었다. The inventors have found that the organic / inorganic composite porous film formed by using (1) inorganic particles and (2) binder polymers as components may not only improve thermal stability, but also a pore structure formed by inorganic particles in the film. It has been found that can effectively fulfill the role as a separator that serves as a lithium ion migration channel.
특히, 상기 무기물 입자로서 입자 자체 내 복수 개의 기공 구조를 갖는 다공성 무기물 입자를 사용하는 경우, 전술한 무기물 입자들 사이에 형성된 기공 구조 뿐만 아니라, 무기물 입자 자체 내 존재하는 다수의 기공에 기인한 전체 기공 증가 를 통해 부가적인 리튬 이온의 이동 경로가 추가되고, 전해액 함침율이 향상됨으로써, 이를 통해 상기 유/무기 복합 다공성 필름을 분리막으로 사용하는 전기 화학 소자의 성능 및 안전성을 동시에 향상시킬 수 있다는 사실을 밝혀내었다.In particular, when using the porous inorganic particles having a plurality of pore structures in the particles themselves as the inorganic particles, not only the pore structure formed between the inorganic particles described above, but also the total pores due to the plurality of pores present in the inorganic particles themselves. The increase of the additional lithium ion migration path and the increase of the electrolyte impregnation rate, thereby improving the performance and safety of the electrochemical device using the organic / inorganic composite porous film as a separator at the same time Revealed.
이에, 본 발명은 상기 유/무기 복합 다공성 필름 및 이의 제조방법, 상기 유/무기 복합 다공성 필름을 구비하는 전기 화학 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrochemical device having the organic / inorganic composite porous film and a method of manufacturing the organic / inorganic composite porous film.
본 발명은 (a) 입자 자체 내 복수 개의 기공이 존재하는 다공성 무기물 입자; 및 (b) 상기 무기물 입자 표면의 일부 또는 전부에 형성된 바인더 고분자 코팅층을 포함하는 유/무기 복합 다공성 필름 및 이의 제조방법, 상기 유/무기 복합 다공성 필름을 구비하는 전기 화학 소자, 바람직하게는 리튬 이차 전지를 제공한다.The present invention (a) a porous inorganic particles having a plurality of pores in the particles themselves; And (b) an organic / inorganic composite porous film including a binder polymer coating layer formed on part or all of the surface of the inorganic particles, and a method of manufacturing the same, an electrochemical device including the organic / inorganic composite porous film, preferably lithium secondary. Provide a battery.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 freestanding형 유/무기 필름의 주요 구성 성분인 무기물 입자로서, 다공성 무기물 입자를 도입하는 것을 가장 큰 특징으로 한다. The organic / inorganic composite porous film of the present invention is an inorganic particle which is a main component of the freestanding organic / inorganic film, and is characterized by introducing porous inorganic particles.
상기 다공성 무기물 입자는 종래 분리막의 코팅 성분 및/또는 구성 성분으로 사용된 비다공성 무기물 입자와는 달리, 입자 자체 내 다양한 크기와 기공율을 갖는 기공이 다수 존재하게 되는데, 이러한 기공은 리튬 이온의 이동 경로와 전해액이 함침될 공간을 추가적으로 증가시키는 역할을 하게 된다. 따라서, 비다공성 무기물 입자와 고분자로 구성되는 종래 유/무기 복합막이 폴레올레핀 계열 분리막에 비해 탁월한 열적 안전성을 가짐에도 불구하고 성능 저하로 인해 분리막으로서의 역할을 충실히 수행할 수 없었던 것에 비해, 다공성 무기물 입자가 도입된 본 발명의 유/무기 복합 다공성 분리막은 열적 안전성 및 성능 향상을 도모할 수 있다는 점에서 차별화된다. The porous inorganic particles, unlike the non-porous inorganic particles used as coating and / or constituent components of the conventional separator, there are a number of pores having various sizes and porosities in the particles themselves, these pores are the movement path of lithium ions And to further increase the space to be impregnated with the electrolyte. Therefore, although the conventional organic / inorganic composite membrane composed of nonporous inorganic particles and polymers has excellent thermal stability compared to polyolefin-based separators, porous inorganic particles could not be faithfully performed as separators due to deterioration in performance. The organic / inorganic composite porous membrane of the present invention to which the is introduced is differentiated in that it can promote thermal safety and performance.
상기 유/무기 복합 다공성 필름의 특징에 대하여 보다 구체적인 설명을 하면, 하기와 같다.If more specific description of the characteristics of the organic / inorganic composite porous film, as follows.
1) 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 양극과 음극의 단락을 방지할 뿐만 아니라, 기공 구조로 인해 전해질 전달 능력을 가지므로 분리막의 역할을 충실히 수행할 수 있다. 특히, 다공성 무기물 입자들 사이의 빈 공간에 의해 형성된 필름 내 기공 구조 뿐만 아니라, 필름을 구성하는 무기물 입자 자체 내 기공 구조를 보유함으로써, 종래 폴리올레핀 계열 분리막과 대등한 성능을 나타낼 수 있다(표 3 참조). 1) The organic / inorganic composite porous film of the present invention not only prevents a short circuit between the positive electrode and the negative electrode, but also has a function of delivering electrolyte due to the pore structure, thereby effectively fulfilling the role of the separator. In particular, not only the pore structure in the film formed by the void spaces between the porous inorganic particles, but also the pore structure in the inorganic particles constituting the film itself can exhibit comparable performance with the conventional polyolefin-based separator (see Table 3). ).
2) 또한, 종래 분리막의 구성 성분 또는 코팅 성분으로 사용된 유/무기 혼합층은 무기물 입자 사용으로 인해 전지의 안전성을 도모할 수는 있었으나, 주로 비다공성 무기물 입자를 사용함으로써 무게 증가로 인한 전지의 전체 무게 증가가 초래되었다. 이에 비해, 본 발명에서는 입자 자체 내 다수의 기공을 갖는 다공성 무기물 입자를 사용함으로써, 전술한 안전성 및 성능 향상을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 현저한 무게 감소를 얻을 수 있다. 이러한 무게 감소는 전지의 무게 감소로 이어져 결과적으로 전지의 단위 무게당 에너지 밀도가 증가하는 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 2) In addition, the organic / inorganic mixed layer used as a constituent or coating component of the conventional separator could improve battery safety due to the use of inorganic particles. An increase in weight was brought about. In contrast, in the present invention, by using the porous inorganic particles having a plurality of pores in the particles themselves, not only can the above-mentioned safety and performance be improved, but also a significant weight reduction can be obtained. This weight reduction leads to weight reduction of the battery, resulting in an increase in energy density per unit weight of the battery.
3) 종래 폴리올레핀 계열 분리막은 융점이 120~140℃이므로 고온에서 열수축이 일어나지만, 상기 무기물 입자 및 바인더 고분자로 이루어진 유/무기 복합 다공성 필름은 무기물 입자의 내열성으로 인해 고온 열수축이 발생하지 않는다. 따라서, 상기 유/무기 복합 다공성 필름을 분리막으로 이용하는 전기 화학 소자에서는 고온, 과충전 등의 과도한 조건에서도 양극/음극 내부 단락에 의한 안전성 저하가 전혀 발생하지 않게 되므로, 종래 전지들에 비하여 매우 안전한 특성을 나타내게 된다.3) Since the polyolefin-based separator has a melting point of 120 to 140 ° C., heat shrinkage occurs at high temperature, but the organic / inorganic composite porous film made of the inorganic particles and the binder polymer does not generate high temperature heat shrinkage due to the heat resistance of the inorganic particles. Therefore, in the electrochemical device using the organic / inorganic composite porous film as a separator, the safety deterioration due to the internal short circuit of the anode / cathode does not occur at all even under excessive conditions such as high temperature and overcharging, and thus it is very safe compared to conventional batteries. Will be displayed.
본 발명에 따른 유/무기 복합 다공성 필름의 구성 성분 중 하나는 당 업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 무기물 입자로서, 입자 자체 내 기공을 갖기만 한다면, 기공의 크기와 기공율, 성분 및/또는 형태 등에 특별한 제한이 없다.One of the constituents of the organic / inorganic composite porous film according to the present invention is an inorganic particle commonly used in the art, so long as it has pores in the particle itself, specific to pore size, porosity, component and / or shape, etc. no limits.
이때, 상기 기공은 국제순수응용화학연맹(IUPAC) 정의에 의한, 직경이 2nm 이하인 마이크로기공(micropore), 2 내지 50nm인 메조기공(mesopore), 50nm 이상인 마크로기공(macropore) 또는 이들의 혼합 형태일 수 있으며, 바람직하게는 50nm 이상의 거대 기공이다. 그러나 이에 한정되지는 않는다. In this case, the pores may be micropore having a diameter of 2 nm or less, mesopores having a diameter of 2 to 50 nm, macropore having a diameter of 50 nm or more, or a mixed form thereof according to the International Pure Applied Chemistry (IUPAC) definition. It is preferably a large pore of 50nm or more. However, it is not limited thereto.
상기 다공성 무기물 입자는 전술한 바와 같이 자체 내 존재하는 기공 구조를 통해 리튬 이온의 추가적인 이동 경로 및 전해액 함침 공간을 제공하게 되며, 이를 통해 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다. 또한, 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)을 가능하게 하여 유/무기 복합 다공성 코팅층 내 미세 기공을 형성하는 역할과 물리적 형태를 유지할 수 있는 일종의 스페이서(spacer) 역할을 겸하게 된다. 또한, 상기 무기물 입자는 일반적으로 200℃ 이상의 고온이 되어 도 물리적 특성이 변하지 않는 특성을 갖기 때문에, 형성된 유/무기 복합 다공성 코팅층이 탁월한 내열성을 갖게 된다. As described above, the porous inorganic particles provide additional movement paths and electrolyte impregnation spaces of lithium ions through the pore structure existing in themselves, thereby improving performance of the battery. In addition, by enabling an interstitial volume between the inorganic particles, it serves as a function of forming micro pores in the organic / inorganic composite porous coating layer and a kind of spacer to maintain physical shape. In addition, since the inorganic particles generally have a property that physical properties do not change even at a high temperature of 200 ° C. or more, the formed organic / inorganic composite porous coating layer has excellent heat resistance.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.The inorganic particles are not particularly limited as long as they are electrochemically stable. That is, the inorganic particles that can be used in the present invention are not particularly limited as long as the oxidation and / or reduction reactions do not occur in the operating voltage range of the battery to be applied (for example, 0 to 5 V on the basis of Li / Li + ). In particular, in the case of using the inorganic particles having the ion transfer ability, since the ion conductivity in the electrochemical device can be improved to improve the performance, it is preferable that the ion conductivity is as high as possible. In addition, when the inorganic particles have a high density, it is not only difficult to disperse during coating, but also has a problem of weight increase during battery manufacturing, and therefore, the smallest density is desirable. In addition, in the case of the inorganic material having a high dielectric constant, it is possible to improve the dissociation degree of the electrolyte salt, such as lithium salt, in the liquid electrolyte, thereby improving the ionic conductivity of the electrolyte solution.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 바람직하게는 10 이상인 고유전율 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합체가 바람직하다.For the foregoing reasons, the inorganic particles are preferably high dielectric constant inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more, preferably 10 or more, inorganic particles having a lithium ion transfer ability, or a mixture thereof.
유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), hafnia (HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiC 또는 이들의 혼합체 등이 있다.Non-limiting examples of inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more include BaTiO 3 , 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), hafnia (HfO 2 ), SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2, SiC Or mixtures thereof.
리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되, 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 본 발명에서 지칭하는 것으로서, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함(defect)으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지 내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다. 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 리튬포스페이트 (Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트 (LixTiy(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트 (LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), Li3.25Ge0.25P0.75S4 등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 glass (LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4), LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5 계열 glass (LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 이의 구체적인 예로는 (Li0.5La0.5)TiO3, Li2xCa0.5-xTaO3, Li0.2[Ca1-ySry]0.4TaO3, Li6BaLa2Ta2O12, Li3VO4, Li3PO4/Li4SiO4, Li2S-GeS2-P2S5, Li2S-P2S5, Li2S-GeS2-Ga2S3, Li2S-SiS2, Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-SiS2 등이 있다. The inorganic particles having a lithium ion transfer capacity refers to the inorganic particles containing lithium element, but having a function of transporting lithium ions without storing lithium, and the inorganic particles having a lithium ion transfer capacity are inside the particle structure. Since lithium ions can be transferred and moved due to a kind of defect present in the battery, lithium ion conductivity in the battery is improved, thereby improving battery performance. Non-limiting examples of the inorganic particles having a lithium ion transfer capacity include lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium titanium phosphate (Li x Ti y (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y <3) , Lithium aluminum titanium phosphate (Li x Al y Ti z (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y <1, 0 <z <3), 14Li 2 O-9Al 2 O 3 -38TiO 2 -39P (LiAlTiP) x O y series glass such as 2 O 5 (0 <x <4, 0 <y <13), lithium lanthanum titanate (Li x La y TiO 3 , 0 <x <2, 0 <y <3 ), Li germanium thiophosphate such as Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 (Li x Ge y P z S w , 0 <x <4, 0 <y <1, 0 <z <1, 0 <w < 5), lithium nitrides such as Li 3 N (Li x N y , 0 <x <4, 0 <y <2), SiS 2 series glass such as Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 (Li x P 2 S 5 series glass (Li x P y S z , 0 <, such as Si y S z , 0 <x <3, 0 <y <2, 0 <z <4), LiI-Li 2 SP 2 S 5, etc. x <3, 0 <y <3, 0 <z <7) or mixtures thereof. Specific examples thereof include (Li 0.5 La 0.5 ) TiO 3 , Li 2x Ca 0.5-x TaO 3 , Li 0.2 [Ca 1-y Sr y ] 0.4 TaO 3 , Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 , Li 3 VO 4 , Li 3 PO 4 / Li 4 SiO 4 , Li 2 S-GeS 2 -P 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S-GeS 2 -Ga 2 S 3 , Li 2 S-SiS 2 , Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -SiS 2, and the like.
본 발명에서는 유/무기 복합 다공성 코팅층의 구성 성분인 다공성 무기물 입자 내 기공 크기 및 기공도, 다공성 무기물 입자의 크기(입경), 다공성 무기물 입자의 함량 및 다공성 무기물 입자와 바인더 고분자의 조성을 조절함으로써, 최종 유/무기 복합 다공성 필름의 기공 구조 형성 및 조절을 할 수 있다. 이 기공 구조는 후에 주입되는 액체 전해질로 채워지게 되는데, 이로 인해 무기물 입자들 사이 또는 무기물 입자와 바인더 고분자 사이에서 발생하는 계면 저항이 크게 감소하는 효과를 나타내게 된다. In the present invention, by controlling the pore size and porosity in the porous inorganic particles constituting the organic / inorganic composite porous coating layer, the size (particle diameter) of the porous inorganic particles, the content of the porous inorganic particles and the composition of the porous inorganic particles and the binder polymer, It is possible to form and control the pore structure of the organic / inorganic composite porous film. This pore structure is filled with the liquid electrolyte injected later, which results in a significant reduction in the interfacial resistance generated between the inorganic particles or between the inorganic particles and the binder polymer.
상기 다공성 무기물 입자의 크기는 크게 제한이 없으나, 0.01 내지 10㎛ 범위인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 10㎛ 범위이다. 0.01㎛ 미만인 경우 분산성이 저하되어 유/무기 복합 다공성 필름의 구조 및 물성을 조절하기가 어려우며, 10㎛를 초과하는 경우 동일한 고형분 함량으로 제조되는 유/무기 복합 다공성 필름의 두께가 증가하여 기계적 물성이 저하될 수 있다.The size of the porous inorganic particles is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.01 to 10㎛, more preferably 0.3 to 10㎛ range. If it is less than 0.01㎛ dispersibility is difficult to control the structure and physical properties of the organic / inorganic composite porous film, and if it exceeds 10㎛ the thickness of the organic / inorganic composite porous film made of the same solid content increases mechanical properties This can be degraded.
상기 다공성 무기물 입자 자체의 기공 크기는 0.1nm 내지 1㎛ 범위일 수 있으며, 바람직하게는 0.05 내지 1㎛ 범위이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 0.1nm 미만인 경우 기공의 크기가 너무 작아서 전해액이 침투하는 것이 어렵게 되며, 1㎛를 초과하는 경우 다공성 무기물 입자의 크기가 증가하여 결과적으로 유/무기 복합 다공성 필름의 두께가 증가하는 결과를 가져올 수 있다. 이러한 다공성 무기물 입 자의 기공율은 1 내지 99% 범위까지 다양하게 조절 가능하지만, 바람직하게는 5 내지 95% 범위이다. 만약 다공성 입자의 기공율이 5% 미만일 경우 다공성 입자 내 존재하는 기공으로의 전해액 함침 및 이로 인한 전지의 성능 향상을 기대하기 어렵게 되고, 기공율이 95%를 초과하는 경우 입자 자체의 기계적 강도가 약화될 수 있다. The pore size of the porous inorganic particles themselves may range from 0.1 nm to 1 μm, preferably 0.05 to 1 μm, but is not limited thereto. If the thickness is less than 0.1 nm, the pore size is so small that it is difficult for the electrolyte to penetrate. If the thickness is larger than 1 μm, the size of the porous inorganic particles increases, resulting in an increase in the thickness of the organic / inorganic composite porous film. . The porosity of the porous inorganic particles can be variously controlled in the range of 1 to 99%, but preferably 5 to 95%. If the porosity of the porous particles is less than 5%, it is difficult to expect the electrolyte impregnation into the pores present in the porous particles and thereby improve the performance of the battery. If the porosity exceeds 95%, the mechanical strength of the particles themselves may be weakened. have.
상기 다공성 무기물 입자의 함량은 크게 제약은 없으나, 유/무기 복합 다공성 필름을 구성하는 다공성 무기물 입자와 바인더 고분자의 혼합물 100 중량부 당 10 내지 99 중량부 범위일 수있으며, 바람직하게는 50 내지 95 중량부이다. 10 중량부 미만일 경우 고분자의 함량이 지나치게 많게 되어 무기물 입자들 사이에 형성되는 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기될 수 있다. 99 중량%를 초과할 경우 고분자 함량이 너무 적기 때문에 무기물 사이의 접착력 약화로 인해 기계적 물성이 저하될 수 있다.The content of the porous inorganic particles is not particularly limited, but may be in the range of 10 to 99 parts by weight per 100 parts by weight of the mixture of the porous inorganic particles and the binder polymer constituting the organic / inorganic composite porous film, preferably 50 to 95 parts by weight. It is wealth. If less than 10 parts by weight of the polymer content is too much may be reduced pore size and porosity due to the reduction of the void space formed between the inorganic particles may lead to a deterioration of the final battery performance. If the content exceeds 99% by weight, the polymer content is too small, and the mechanical properties may be degraded due to the weakening of the adhesion between the inorganic materials.
본 발명에 따른 유/무기 복합 다공성 필름의 구성 성분 중 다른 하나는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 바인더 고분자이다. 특히, 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg)가 가능한 낮은 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 -200 내지 200℃ 범위이다. 이는 최종 필름의 유연성 및 탄성 등과 같은 기계적 물성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 상기 고분자는 무기물 입자와 입자 사이를 연결 및 안정하게 고정시켜주는 바인더 역할을 충실히 수행함으로써, 최종 제조되는 유/무기 복합 다공성 필름의 기계적 물성 저하를 방지한다.The other component of the organic / inorganic composite porous film according to the present invention is a binder polymer commonly used in the art. In particular, it is possible to use a glass transition temperature (Tg) as low as possible, preferably in the range of -200 to 200 ℃. This is because the mechanical properties such as flexibility and elasticity of the final film can be improved. The polymer faithfully plays a role of a binder for stably connecting and stably connecting the inorganic particles and the particles, thereby preventing a decrease in mechanical properties of the organic / inorganic composite porous film that is finally manufactured.
또한, 상기 바인더 고분자는 이온 전도 능력을 반드시 가질 필요는 없으나, 이온 전도 능력을 갖는 고분자를 사용할 경우 전기 화학 소자의 성능을 더욱 향상 시킬 수 있다. 따라서, 바인더 고분자는 가능한 유전율 상수가 높은 것이 바람직하다. 실제로 전해액에서 염의 해리도는 전해액 용매의 유전율 상수에 의존하기 때문에, 상기 고분자의 유전율 상수가 높을수록 본 발명의 전해질에서의 염 해리도를 향상시킬 수 있다. 상기 고분자의 유전율 상수는 1.0 내지 100 (측정 주파수 = 1 kHz) 범위가 사용 가능하며, 특히 10 이상인 것이 바람직하다.In addition, the binder polymer does not necessarily have an ion conducting ability, but when the polymer having an ion conducting ability is used, the performance of the electrochemical device may be further improved. Therefore, the binder polymer is preferably as high as possible dielectric constant. In fact, since the dissociation degree of the salt in the electrolyte depends on the dielectric constant of the electrolyte solvent, the higher the dielectric constant of the polymer, the higher the salt dissociation in the electrolyte of the present invention. The dielectric constant of the polymer may be in the range of 1.0 to 100 (measurement frequency = 1 kHz), particularly preferably 10 or more.
전술한 기능 이외에, 본 발명의 바인더 고분자는 액체 전해액 함침시 겔화되어 높은 전해액 함침율(degree of swelling)을 나타낼 수 있는 특징을 가질 수 있다. 실제로, 상기 바인더 고분자가 전해액 함침율이 우수한 고분자인 경우, 전지 조립 후 주입되는 전해액은 상기 고분자로 스며들게 되고, 흡수된 전해액을 보유하는 고분자는 전해질 이온 전도 능력을 갖게 된다. 따라서, 종래 유/무기 복합 전해질에 비하여 전기 화학 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 고분자는 전해액에 대한 친화도(affinity)가 매우 우수하므로, 종래 사용되기 어려웠던 전지용 극성 전해액의 적용도 가능하다는 장점이 있다. 추가적으로, 상기 고분자가 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자인 경우, 이후 주입된 전해액과 고분자가 반응하여 겔화됨으로써 겔형 유/무기 복합 전해질을 형성할 수 있다. 이와 같이 형성된 전해질은 종래 겔형 전해질에 비해 제조 공정이 용이할 뿐만 아니라 높은 이온 전도도 및 전해액 함침율을 나타내어 전지의 성능 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 가능하면 용해도 지수가 15 내지 45 MPa1/2 인 고분자가 바람직하며, 15 내지 25 MPa1/2 및 30 내지 45 MPa1/2 범위가 더욱 바람직하다. 용해도 지수가 15 MPa1/2 미만 및 45 MPa1/2 를 초과하는 경우, 통상적인 전지용 액체 전해액에 의해 함침(swelling)되기 어려울 수 있다. In addition to the above-described function, the binder polymer of the present invention may have a feature that can be gelled during the liquid electrolyte impregnation to exhibit a high degree of swelling. In fact, when the binder polymer is a polymer having excellent electrolyte impregnation rate, the electrolyte injected after battery assembly is permeated into the polymer, and the polymer having the absorbed electrolyte has electrolyte ion conducting ability. Therefore, it is possible to improve the performance of the electrochemical device as compared to the conventional organic / inorganic composite electrolyte. In addition, the polymer has a very good affinity to the electrolyte (affinity), there is an advantage that can be applied to the polar electrolyte solution for the battery which was difficult to use conventionally. In addition, when the polymer is a gelable polymer when the electrolyte is impregnated, then the injected electrolyte and the polymer react with each other to form a gel-type organic / inorganic composite electrolyte. The electrolyte thus formed is easier to manufacture than conventional gel electrolytes and exhibits high ionic conductivity and electrolyte impregnation rate, thereby improving battery performance. Therefore, polymers having a solubility index of 15 to 45 MPa 1/2 are preferred if possible, with the range of 15 to 25 MPa 1/2 and 30 to 45 MPa 1/2 more preferred. If the solubility index is less than 15 MPa 1/2 and greater than 45 MPa 1/2 , it may be difficult to swell by conventional battery liquid electrolytes.
사용 가능한 바인더 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), 아크리로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 (acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide) 또는 이들의 혼합체 등이 있다. 이외에도 상술한 특성을 포함하는 물질이라면 어느 재료라도 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.Non-limiting examples of binder polymers that can be used include polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene, Polymethylmethacrylate, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylacetate, ethylene vinyl acetate copolymer, polyethylene oxide ( polyethylene oxide, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, cyanoethylpullulan, cyanoethylpolyvinylalcohol Cyanoethyl cellulose lcellulose, cyanoethylsucrose, pullulan, carboxyl methyl cellulose, acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer, polyimide or these And mixtures thereof. In addition, any material can be used singly or in combination as long as it contains the above-described properties.
다공성 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물을 코팅하여 형성된 유/무기 복합 다공성 필름의 두께는 특별한 제한은 없으나, 전지 성능을 고려하여 조절될 수 있으며, 양극 및 음극에서 각각 독립적으로 두께 조절이 가능하다. 본 발명에서는 전지의 내부 저항을 줄이기 위하여 상기 코팅층의 두께를 1 내지 100㎛ 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하며, 1 내지 30㎛ 범위인 것이 더욱 바람직하다. The thickness of the organic / inorganic composite porous film formed by coating a mixture of the porous inorganic particles and the binder polymer is not particularly limited, but may be adjusted in consideration of battery performance, and may be independently adjusted at the positive and negative electrodes. In the present invention, in order to reduce the internal resistance of the battery, it is preferable to adjust the thickness of the coating layer within a range of 1 to 100 μm, more preferably 1 to 30 μm.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 코팅층의 기공 크기 및 기공도는 주로 다공성 무기물 입자의 크기 및 상기 무기물 입자 내 존재하는 기공 크기에 의존하게 되는데, 이와 같은 기공 구조는 추후 주액되는 전해액으로 채워지게 되고, 이와 같이 채워진 전해액은 이온 전달 역할을 하게 된다. 따라서, 상기 기공의 크기 및 기공도는 코팅층의 이온 전도도 조절에 중요한 영향 인자이다. 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름의 기공 크기 및 기공도(porosity)는 각각 0.1nm 내지 10㎛, 5 내지 95% 범위인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. In addition, the pore size and porosity of the organic / inorganic composite porous coating layer is mainly dependent on the size of the porous inorganic particles and the pore size present in the inorganic particles, such a pore structure is to be filled with the electrolyte solution to be injected later, The electrolyte thus filled plays a role of ion transfer. Therefore, the pore size and porosity are important influence factors for controlling the ionic conductivity of the coating layer. Pore size and porosity (porosity) of the organic / inorganic composite porous film of the present invention is preferably in the range of 0.1nm to 10㎛, 5 to 95%, but is not limited thereto.
본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 전술한 다공성 무기물 입자 및 고분자 이외에, 당 업계에 알려진 통상적인 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.The organic / inorganic composite porous film of the present invention may further include other additives conventionally known in the art, in addition to the above-described porous inorganic particles and polymers.
본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 최종 전지의 특성에 따라 미세 기공분리막, 예컨대 폴리올레핀 계열 분리막을 함께 사용하여 전지에 적용될 수도 있다.The organic / inorganic composite porous film of the present invention may be applied to a battery using a microporous separator, such as a polyolefin-based separator, depending on the characteristics of the final battery.
본 발명에 따른 유/무기 복합 다공성 필름은 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 이의 일 실시 형태를 들면, (a) 고분자를 용매에 용해시켜 고분자 용액을 제조하는 단계; (b) 다공성 무기물 입자를 상기 단계 (a)에서 제조된 고분자 용액에 첨가 및 혼합하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)의 혼합물을 기재에 코팅 및 건조한 후 기재로부터 탈착하는 단계를 포함할 수 있다.The organic / inorganic composite porous film according to the present invention may be prepared according to a conventional method known in the art, for example, (a) dissolving a polymer in a solvent to prepare a polymer solution; (b) adding and mixing the porous inorganic particles to the polymer solution prepared in step (a); And (c) coating and drying the mixture of step (b) on the substrate and then detaching the substrate from the substrate.
우선, 1) 고분자를 적절한 유기 용매에 용해시켜 고분자 용액을 제조한다.First, 1) the polymer is dissolved in a suitable organic solvent to prepare a polymer solution.
용매로는 사용하고자 하는 바인더 고분자와 용해도 지수가 유사하며, 끓는점(boiling point)이 낮은 것이 바람직하다. 이는 균일한 혼합과 이후 용매 제거를 용이하게 하기 위해서이다. 사용 가능한 용매의 비제한적인 예로는 아세톤 (acetone), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드 (methylene chloride), 클로로포름 (chloroform), 디메틸포름아미드 (dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 시클로헥산 (cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합체 등이 있다.As the solvent, the solubility index is similar to that of the binder polymer to be used, and the boiling point is preferably low. This is to facilitate uniform mixing and subsequent solvent removal. Non-limiting examples of solvents that can be used include acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone ( N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), cyclohexane, water or a mixture thereof.
2) 제조된 고분자 용액에 다공성을 갖는 무기물 입자를 첨가 및 분산시켜 무기물 입자와 고분자의 혼합물을 제조한다. 다공성 무기물 입자를 기제조된 고분자 용액에 첨가한 후, 무기물 입자의 파쇄를 실시하는 것이 바람직하다. 이때 파쇄 시간은 1 내지 20시간이 적절하며, 파쇄된 무기물 입자의 입도는 상기에 언급된 바와 같이 0.01 내지 10㎛가 바람직하다. 파쇄 방법으로는 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 특히 볼밀(ball mill)법이 바람직하다. 2) A mixture of inorganic particles and a polymer is prepared by adding and dispersing inorganic particles having porosity in the prepared polymer solution. After adding the porous inorganic particles to the prepared polymer solution, it is preferable to crush the inorganic particles. In this case, the crushing time is suitably 1 to 20 hours, and the particle size of the crushed inorganic particles is preferably 0.01 to 10 μm as mentioned above. As the shredding method, a conventional method can be used, and a ball mill method is particularly preferable.
다공성 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 the porous inorganic particles and the polymer 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.
3) 제조된 다공성 무기물 입자 및 고분자의 혼합물을 기재(substrate)상에 코팅 및 건조한 후, 상기 기재를 탈착함으로써 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름을 얻을 수 있다.3) After coating and drying the prepared mixture of porous inorganic particles and polymer on a substrate (substrate), the organic / inorganic composite porous film of the present invention can be obtained by desorbing the substrate.
이때 기재로는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 테프론 시트나 이와 유사한 필름이 바람직하나, 이를 특별히 제한하지는 않는다. The substrate is preferably a teflon sheet or a similar film commonly used in the art, but is not particularly limited thereto.
또한, 무기물 입자 및 고분자의 혼합물을 기재상에 코팅하는 방법은 당 업계에 알려진 통상적인 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면 딥(Dip) 코팅, 다이(Die) 코팅, 롤(roll) 코팅, 콤마(comma) 코팅 또는 이들의 혼합 방식 등 다양한 방식을 이용할 수 있다.In addition, the method of coating the mixture of the inorganic particles and the polymer on the substrate may be used a conventional coating method known in the art, for example, dip coating, die coating, roll coating, Various methods, such as a comma coating or a mixing method thereof, can be used.
이와 같이 제조된 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 전기 화학 소자, 바람직하게는 리튬 이차 전지의 분리막(separator)으로 사용할 수 있다. 또한, 상기 유/무기 복합 다공성 필름의 한 면 또는 양면상에 당 업계에 알려진 통상적인 고분자, 예컨대 전해액 함침 가능한 고분자를 코팅하여 분리막으로 사용 가능하다. The organic / inorganic composite porous film of the present invention prepared as described above may be used as a separator of an electrochemical device, preferably a lithium secondary battery. In addition, it is possible to use a separator by coating a conventional polymer known in the art, such as an electrolyte impregnable polymer, on one or both surfaces of the organic / inorganic composite porous film.
이때 필름의 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우, 상기 분리막을 이용하여 전지를 조립한 후 주입된 전해액과 고분자가 반응하여 겔화됨으로써, 겔형 유/무기 복합 전해질을 형성할 수 있다.In this case, when a gelable polymer is used when the liquid electrolyte solution is impregnated with the binder polymer component of the film, after the battery is assembled using the separator, the injected electrolyte and the polymer react with each other to form a gel-type organic / inorganic composite electrolyte. have.
본 발명의 겔형 유/무기 복합 전해질은 종래 기술의 겔형 고분자 전해질에 비하여 제조 공정이 용이할 뿐만 아니라, 마이크로 기공 구조로 인해 주입되는 액체 전해액이 채울 공간이 다수 존재하여 높은 이온 전도도 및 전해액 함침율을 나타내어 전지 성능을 향상시킬 수 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 micro-pore structure, a large amount of space to be filled with the injected liquid electrolyte provides high ionic conductivity and electrolyte impregnation rate. It can improve battery performance.
또한, 본 발명은 (a) 양극; (b) 음극; (c) 상기 양극과 음극 사이에 개재된 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름; 및 (d) 전해액을 포함하는 전기 화학 소자를 제공한다. In addition, the present invention (a) a positive electrode; (b) a cathode; (c) the organic / inorganic composite porous film of the present invention interposed between the positive electrode and the negative electrode; And (d) provides an electrochemical device comprising an electrolyte.
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. 특히, 상기 2차 전지 중 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함하는 리튬 이차 전지가 바람직하다. Electrochemical devices include all devices that undergo an electrochemical reaction, and specific examples thereof include all kinds of primary, secondary cells, fuel cells, solar cells, or capacitors. In particular, a lithium secondary battery including a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery or a lithium ion polymer secondary battery among the secondary batteries is preferable.
상기 전기 화학 소자에 포함된 유/무기 복합 다공성 필름은 본 발명에서와 동일하게 분리막의 역할을 하며, 필름 구성 성분 중 고분자로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용할 경우 전해질의 역할도 동시에 수행한다. The organic / inorganic composite porous film included in the electrochemical device plays the role of a separator as in the present invention, and also plays a role of an electrolyte when using a gelable polymer when the liquid electrolyte is impregnated with a polymer among the film components.
이때, 유/무기 복합 다공성 필름 이외에 미세 기공 분리막을 추가적으로 사용할 수 있다. 미세 기공 분리막으로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀 계열 분리막 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로 (polyphenylenesulfidro) 및 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 용융 온도가 200℃ 이상인 다공성 기재일 수 있다.In this case, in addition to the organic / inorganic composite porous film, a fine pore separation membrane may be additionally used. The micro pore separator may be a polyolefin-based separator or polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, With polycarbonate, polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfidro and polyethylenenaphthalene It may be a porous substrate having a melting temperature of at least one selected from the group consisting of 200 ° C or more.
전기 화학 소자는 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 이의 일 실시예를 들면 양극과 음극 사이에 전술한 유/무기 복합 다공성 필름을 개재(介在)시켜 조립한 후 전해액을 주입함으로써 제조될 수 있다.The electrochemical device may be manufactured according to conventional methods known in the art, and for example, an electrolyte may be injected after assembling the organic / inorganic composite porous film described above between an anode and a cathode. It can be prepared by.
본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름과 함께 적용될 전극으로는 특별히 제한되지 않으며, 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. The electrode to be applied together with the organic / inorganic composite porous film of the present invention is not particularly limited, and the electrode active material may be prepared in a form bound to the electrode current collector according to conventional methods known in the art.
상기 전극활물질 중 양극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기 화학 소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들의 조합에 의하여 형성되는 복합산화물 등과 같은 리튬흡착물질(lithium intercalation material) 등이 바람직하다. 음극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기 화학 소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 바람직하다. Non-limiting examples of the positive electrode active material of the electrode active material may be a conventional positive electrode active material that can be used for the positive electrode of the conventional electrochemical device, in particular lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium iron oxide or Lithium intercalation materials such as composite oxides formed by combination are preferred. Non-limiting examples of the negative electrode active material may be a conventional negative electrode active material that can be used in the negative electrode of the conventional electrochemical device, in particular lithium metal or lithium alloy, carbon, petroleum coke, activated carbon, Lithium adsorbents such as graphite or other carbons are preferred.
양극 전류집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 전류집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.Non-limiting examples of the positive electrode current collector is a foil made by aluminum, nickel or a combination thereof, and non-limiting examples of the negative electrode current collector by copper, gold, nickel or copper alloy or a combination thereof Foils produced.
본 발명에서 사용될 수 있는 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (γ-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.Electrolyte that may be used in the present invention is A + B - A salt of the structure, such as, A + is Li +, Na +, K + comprises an alkaline metal cation or an ion composed of a combination thereof, such as, and 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 ) Salts containing ions consisting of anions such as 3 - or combinations thereof include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC) , Dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethylmethylcarbonate (EMC), gamma butyrolactone (γ-butyrolactone Or dissolved in an organic solvent consisting of a mixture thereof, but is not limited thereto.
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, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다. In the process of applying the organic / inorganic composite porous film of the present invention as a battery, a lamination (stacking) and folding (folding) process of the separator and the electrode may be performed in addition to the general winding process.
본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름이 상기 공정 중 적층 공정에 적용될 경우, 전지의 열적 안전성 향상 효과는 현저해진다. 이는 일반적인 권취 공정에 의해 제조된 전지에 비해 적층 및 접음 공정으로 제조된 전지는 분리막의 열 수축이 더욱 심하게 일어나는데 기인한다. 또한, 적층(lamination, stack) 공정은 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름 중 고분자의 우수한 접착력 특성으로 인해 쉽게 조립이 가능하다는 장점이 있다. 이때 주성분인 무기물 입자 및 고분자의 함량 또는 고분자의 물성에 의해 접착력 특성이 조절될 수 있으며, 특히 고분자가 극성(polar)을 보일수록, 유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg) 또는 용융 온도(melting point, Tm)가 낮을수록 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름과 전극과의 접착이 잘 이루어진다.When the organic / inorganic composite porous film of the present invention is applied to the lamination process in the above process, the thermal safety improvement effect of the battery becomes remarkable. This is due to the heat shrinkage of the separator in the battery produced by the lamination and folding process is more severe than the battery produced by the general winding process. In addition, the lamination (lamination, stack) process has the advantage that can be easily assembled due to the excellent adhesive properties of the polymer in the organic / inorganic composite porous film of the present invention. At this time, the adhesion properties may be controlled by the content of the inorganic particles and the polymer or the physical properties of the polymer, in particular, the more polar the polymer, the glass transition temperature (T g ) or melting temperature (melting) The lower the point, T m ), the better the adhesion between the organic / inorganic composite porous film and the electrode of the present invention.
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 ~ 2][Examples 1 and 2]
실시예 1Example 1
1-1. 유/무기 복합 다공성 필름(PVdF-HFP / 다공성 Al1-1. Organic / inorganic composite porous film (PVdF-HFP / porous Al 22 OO 33 ) 제조) Produce
폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체 (PVdF-HFP) 고분자를 테트라하이드로퓨란 (THF)에 약 5 중량% 첨가한 후, 50℃의 온도에서 약 12시간 이상 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다. 이 고분자 용액에 입경이 약 1㎛이고 기공의 크기가 110nm이고 기공율이 50%인 다공성 Al2O3 분말을 전체 고형분 20 중량%로 첨가하고 분산시켜 혼합용액(다공성 Al2O3 / PVdF-HFP = 80:20 (중량비))을 제조하였다. 닥터 블레이드(doctor blade)법을 이용하여 제조된 혼합용액을 테플론 시트(sheet) 기재상에 코팅하였다. 코팅하고 THF를. 건조시킨 후, 테플론 시트에서 탈착시켜, 최종적인 유/무기 복합 다공성 필름을 얻었다(도 1 참조). 최종 필름 두께는 약 30㎛ 정도이었다. 기공율 측정 장치(porosimeter)로 측정한 결과, 최종 유 /무기 복합 다공성 필름의 평균 기공 크기 및 기공도는 각각 0.4㎛ 및 77% 였다.A polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP) polymer was added to tetrahydrofuran (THF) about 5% by weight, and then dissolved at a temperature of 50 ° C. for about 12 hours or more to prepare a polymer solution. . To this polymer solution, a porous Al 2 O 3 powder having a particle size of about 1 μm, a pore size of 110 nm, and a porosity of 50% was added to 20% by weight of the total solids and dispersed, and mixed solution (porous Al 2 O 3 / PVdF-HFP = 80:20 (weight ratio)). The mixed solution prepared using the doctor blade method was coated on a Teflon sheet substrate. Coated and THF. After drying, it was detached from a Teflon sheet to obtain a final organic / inorganic composite porous film (see FIG. 1). The final film thickness was about 30 μm. As measured by a porosimeter, the average pore size and porosity of the final organic / inorganic composite porous film were 0.4 µm and 77%, respectively.
1-2. 리튬 이차 전지 제조1-2. Lithium secondary battery manufacturing
양극 제조Anode manufacturing
양극 활물질로 LiCoO2 94 중량%, 도전제로 카본 블랙(carbon black) 3 중량%, 결합제로 PVdF 3 중량%를 용제인 N-메틸-2 피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 혼합물 슬러리를 양극 집전체인 두께가 20㎛ 정도의 양극 집전체인 알루미늄(Al) 박막에 도포 및 건조하여 양극을 제조하였다.A positive electrode mixture slurry was prepared by adding 94 wt% of LiCoO 2 as a positive electrode active material, 3 wt% of carbon black as a conductive agent, and 3 wt% of PVdF as a binder to N-methyl-2 pyrrolidone (NMP) as a solvent. . The positive electrode mixture slurry was coated and dried on a thin film of aluminum (Al), which is a positive electrode current collector having a thickness of about 20 μm, which is a positive electrode current collector.
음극 제조Cathode manufacturing
음극 활물질로 탄소 분말, 결합제로 PVdF, 도전제로 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㎛의 음극 집전체인 구리(Cu) 박막에 도포 및 건조하여 음극을 제조하였다. A negative electrode mixture slurry was prepared by adding carbon powder as a negative electrode active material, PVdF as a binder, and carbon black as a conductive agent at 96 wt%, 3 wt%, and 1 wt%, respectively, to NMP as a solvent. The negative electrode mixture slurry was coated and dried on a thin film of copper (Cu), which is a negative electrode current collector having a thickness of 10 μm, to prepare a negative electrode.
전지 제조Battery manufacturing
상기 양극, 음극 및 상기 실시예 1-1에서 제조된 유/무기 복합 다공성 필름을 스태킹(stacking) 방식을 이용하여 조립하였으며, 조립된 전지에 1M의 리튬헥사플로로포스페이트(LiPF6)이 용해된 에틸렌카보네이트 / 프로필렌카보네이트 / 디에틸카보네이트 (EC/PC/DEC=30:20:50 중량%)계 전해액을 주입하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.The positive electrode, the negative electrode, and the organic / inorganic composite porous film prepared in Example 1-1 were assembled using a stacking method, and 1M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in the assembled battery. An ethylene carbonate / propylene carbonate / diethyl carbonate (EC / PC / DEC = 30: 20: 50% by weight) based electrolyte was injected to prepare a lithium secondary battery.
실시예Example 2 2
기공 크기가 110nm이고 기공율이 50%인 다공성 Al2O3 분말 대신 같은 기공 크기와 기공율을 가진 1㎛의 크기를 가지는 다공성 TiO2 분말을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 유/무기 복합 다공성 필름(PVdF-HFP / 다공성 TiO 2 ) 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지를 제조하였다(도 1 참조). 기공율 측정 장치로 측정한 결과, 최종 유/무기 복합 다공성 필름 두께는 30㎛였으며, 평균 기공 크기 및 기공도는 각각 0.4㎛ 및 76%였다.In the same manner as in Example 1, except that porous TiO 2 powder having a pore size and porosity of 1 μm was used instead of the porous Al 2 O 3 powder having a pore size of 110 nm and a porosity of 50%. An organic / inorganic composite porous film (PVdF-HFP / porous TiO 2 ) and a lithium secondary battery having the same were prepared (see FIG. 1). As a result of measuring by the porosity measuring device, the final organic / inorganic composite porous film thickness was 30㎛, the average pore size and porosity were 0.4㎛ and 76%, respectively.
[비교예 1 ~ 2][Comparative Examples 1 and 2]
비교예Comparative example 1 One
PP/PE/PP 분리막을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 리튬 이차 전지를 제조하였다.A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the PP / PE / PP separator was used.
비교예Comparative example 2 2
비다공성 Al2O3 와 PVdF-HFP의 조성비를 80:20 중량%비로 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 유/무기 복합 다공성 필름 및 이를 구비하는 리튬 이차 전지를 제조하였다. 제조된 비다공성 Al2O3 /PVdF-HFP를 기공율 측정 장치로 측정한 결과, 유/무기 복합 다공성 필름의 기공 크기는 0.3㎛였으며, 평균 기공도는 52% 수준이었다. An organic / inorganic composite porous film and a lithium secondary battery including the same were prepared in the same manner as in Example 1, except that the composition ratio of the non-porous Al 2 O 3 and PVdF-HFP was used in a ratio of 80: 20% by weight. It was. As a result of measuring the prepared non-porous Al 2 O 3 / PVdF-HFP by the porosity measuring device, the pore size of the organic / inorganic composite porous film was 0.3㎛, the average porosity was 52% level.
실험예Experimental Example 1. 유/무기 복합 다공성 필름의 표면 분석 1. Surface analysis of organic / inorganic composite porous film
본 발명에 따라 제조된 유/무기 복합 다공성 필름의 표면을 분석하고자, 하 기와 같은 실험을 실시하였다.In order to analyze the surface of the organic / inorganic composite porous film prepared according to the present invention, the following experiment was performed.
시료로는 실시예 1에서 제조된 PVdF-HFP / 다공성 Al2O3 필름을 사용하였다.As a sample, a PVdF-HFP / porous Al 2 O 3 film prepared in Example 1 was used.
주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope: SEM)으로 표면을 확인한 결과, 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 주요 구성 성분인 무기물 입자들 사이의 공간에 의해 기공 구조가 형성되어 있을 뿐만 아니라, 무기물 입자 자체 내 존재하는 다수의 기공이 존재함을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 다공성 무기물 입자의 표면 상에 고분자가 코팅되어 있음을 알 수 있었다(도 2 참조).The surface of the organic / inorganic composite porous film according to the present invention was confirmed by scanning electron microscopy (SEM). As a result, not only the pore structure is formed by the space between the inorganic particles, but also the inorganic particles themselves. I could see that there are a number of pores that exist. In addition, it was found that the polymer is coated on the surface of the porous inorganic particles (see FIG. 2).
실험예 2. 유/무기 복합 다공성 필름의 열 수축 분석 Experimental Example 2 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-HFP / 다공성 Al2O3 필름을 사용하였으며, 대조군으로 비교예 1의 PP/PE/PP 분리막을 사용하였다.As a sample, a PVdF-HFP / porous Al 2 O 3 film prepared in Example 1 was used, and a PP / PE / PP separator of Comparative Example 1 was used as a control.
상기의 각 시료들을 상온 및 150℃의 온도에서 1시간 방치한 후, 이들을 수집하여 확인한 결과, 상온에서는 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름과 대조군 모두 양호한 상태를 보여 주었으나(도 3a 참조), 150℃의 온도에서 1시간 경과한 경우에는 서로 다른 양태를 나타내었다. 대조군인 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 3b 참조).After leaving each sample for 1 hour at room temperature and 150 ℃, and collected and confirmed, as a result, both the organic / inorganic composite porous film and the control of the present invention showed a good state (see Fig. 3a), When 1 hour had elapsed at a temperature of 150 ° C, different embodiments were shown. The control group PP / PE / PP membrane showed shrinkage due to high temperature and almost remained 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. 3B).
이로서, 본 발명의 다공성 무기물 입자를 사용한 유/무기 복합 다공성 필름도 일반적인 PP/PE/PP 분리막에 비해서 탁월한 열적 안전성을 가짐을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the organic / inorganic composite porous film using the porous inorganic particles of the present invention also has excellent thermal safety compared to the general PP / PE / PP separator.
실험예Experimental Example 3. 리튬 이차 전지의 안전성 평가 3. Safety Evaluation of 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.
3-1. Hot Box 실험3-1. Hot Box Experiment
실시예 1 및 2에서 제조된 리튬 이차 전지를 사용하였으며, 대조군으로 상용화된 PP/PE/PP 분리막을 사용한 비교예 1의 전지와 비다공성 Al2O3 /PVdF-HFP 필름을 분리막으로 사용한 비교예 2의 전지를 사용하였다. 각 전지들을 150℃ 및 160℃의 고온에서 각각 1시간 동안 보존하였으며, 이후 전지의 상태를 하기 표 1에 기재하였다.The lithium secondary batteries prepared in Examples 1 and 2 were used, and Comparative Example 1 using the non-porous Al 2 O 3 / PVdF-HFP film and the cell of Comparative Example 1 using a commercially available PP / PE / PP separator as a control membrane The battery of 2 was used. Each cell was stored at 150 ° C. and 160 ° C. for 1 hour, respectively, after which the state of the cell is shown in Table 1 below.
실험 결과, 상용화된 PP/PE/PP 분리막을 사용한 비교예 1의 전지는 160℃의 온도에서 1시간 보존시 전지의 폭발 현상이 나타났다. 이는 고온 보존에 의해 폴리올레핀 계열 분리막의 심한 열 수축, 용융 파괴가 진행되어 전지의 양 전극인 양극 및 음극의 내부 단락을 유발시킨 것을 의미하는 것이다. 이에 비해, 비다공성 무기물 입자를 사용한 비교예 2, 다공성 무기물 입자를 이용한 실시예 1 및 실시예 2의 유/무기 복합 다공성 필름을 포함하는 리튬 이차 전지는 160℃인 고온에서도 발화 및 연소가 발생하지 않고, 안전한 상태를 보여주었다(표 1 참조).As a result, the battery of Comparative Example 1 using a commercialized PP / PE / PP separator exhibited an explosion phenomenon of the battery when stored for 1 hour at a temperature of 160 ℃. This means that severe thermal contraction and melt fracture of the polyolefin-based separator proceeded by high temperature storage, causing internal short circuits of the positive electrode and the negative electrode of the battery. On the contrary, the lithium secondary battery including the organic / inorganic composite porous films of Comparative Example 2 using the non-porous inorganic particles and the inorganic inorganic particles of Examples 1 and 2 using the porous inorganic particles do not generate ignition and combustion even at a high temperature of 160 ° C. And a safe state (see Table 1).
이로서, 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름을 포함하는 리튬 이차 전지는 탁월한 열적 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 thermal safety.
3-2. 과충전 실험3-2. Overcharge Experiment
실시예 1 및 2에서 제조된 리튬 이차 전지를 사용하였으며, 대조군으로 상용화된 PP/PE/PP 분리막을 사용한 비교예 1의 전지와 비다공성 Al2O3 /PVdF-HFP 필름을 분리막으로 사용한 비교예 2의 전지를 사용하였다. 각 전지들을 6V/1A 및 10V/1A의 조건으로 충전하였으며, 이후 전지의 상태를 하기 표 2에 기재하였다. The lithium secondary batteries prepared in Examples 1 and 2 were used, and Comparative Example 1 using the non-porous Al 2 O 3 / PVdF-HFP film and the cell of Comparative Example 1 using a commercially available PP / PE / PP separator as a control membrane The battery of 2 was used. Each battery was charged under the conditions of 6V / 1A and 10V / 1A, and then the state of the battery is described in Table 2 below.
실험 결과, 상용화된 PP/PE/PP 분리막을 사용한 비교예 1의 전지는 폭발 현상을 나타냈다(표 2 및 도 4a 참조). 이는 전지의 과충전에 의해 폴리올레핀 계열 분리막의 수축에 의한 양 전극의 단락 발생 및 이로 인한 전지의 안전성 저하가 발생됨을 나타내는 것이다. 이에 비해, 비다공성 무기물 입자를 사용한 비교예 2의 전지와 다공성 입자를 사용하는 실시예 1 및 실시예 2의 유/무기 복합 다공성 필름을 포함하는 리튬 이차 전지는 과충전시 안전한 상태를 보여주었다(표 2 및 도 4b 참조). 이러한 결과들을 통해, 다공성 무기 입자를 사용하여 제조된 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 비교예 1의 PP/PE/PP 분리막에 비해서 안정성이 뛰어날 뿐만 아니라, 종래 비다공성 무기 입자를 사용한 비교예 2의 유/무기 복합 다공성 필름과 대등한 안전성을 가짐을 확인할 수 있었다.As a result, the battery of Comparative Example 1 using a commercialized PP / PE / PP separator exhibited an explosion phenomenon (see Table 2 and Figure 4a). This indicates that a short circuit occurs between the positive electrodes due to the shrinkage of the polyolefin-based separator due to overcharging of the battery, and a decrease in safety of the battery occurs. In comparison, the lithium secondary battery including the battery of Comparative Example 2 using non-porous inorganic particles and the organic / inorganic composite porous films of Examples 1 and 2 using porous particles showed a safe state when overcharged (Table 2 and FIG. 4B). Based on these results, the organic / inorganic composite porous film of the present invention prepared using the porous inorganic particles not only has excellent stability compared to the PP / PE / PP separator of Comparative Example 1, but also a comparative example using conventional nonporous inorganic particles. It can be confirmed that the organic / inorganic composite porous film of 2 has comparable safety.
실험예 4. 리튬 이차 전지의 성능 평가Experimental Example 4. 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 1 및 2에서 제조된 리튬 이차 전지를 사용하였으며, 대조군으로 상용화된 PP/PE/PP 분리막을 사용한 비교예 1의 전지와 비다공성 Al2O3 /PVdF-HFP를 분리막으로 사용한 비교예 2의 전지를 사용하였다. 전지 용량이 760mAh인 각 전지들을 0.5C, 1C, 2C의 방전 속도로 사이클링을 하였으며, 이들의 방전 용량을 C-rate 특성별로 도식하여 하기 표 3에 기재하였다.The lithium secondary batteries prepared in Examples 1 and 2 were used, and Comparative Example 2 using the non-porous Al 2 O 3 / PVdF-HFP as a separator and the cell of Comparative Example 1 using a commercially available PP / PE / PP separator as a control The battery of was used. Each battery having a battery capacity of 760 mAh was cycled at a discharge rate of 0.5 C, 1 C, and 2 C, and their discharge capacities are shown in Table 3 by plotting C-rate characteristics.
실험 결과, 비다공성 무기물 입자와 바인더 고분자로 구성된 유/무기 복합 다공성 필름을 분리막으로 사용한 비교예 2의 전지는 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름 및 기존 폴리올레핀 계열 분리막에 비해 방전속도별 용량이 감소됨을 나타냈다. 이에 비해, 다공성 입자를 사용한 유/무기 복합 다공성 필름을 구비한 실시예 1 및 실시예 2의 리튬 이차 전지는 2C의 방전 속도까지 비교예 1의 PP/PE/PP 분리막과 대등한 고율 방전(C-rate) 특성을 보여주었다(표 3 참조). 이는 무기물 입자 자체 내 존재하는 다수의 기공으로 인해 리튬 이온의 이동 경로 및 전해액 함침 공간이 추가되어 전지의 성능 향상이 도모된 것을 의미하는 것이다.As a result, the battery of Comparative Example 2 using an organic / inorganic composite porous film composed of nonporous inorganic particles and a binder polymer as a separator has a reduced capacity by discharge rate compared to the organic / inorganic composite porous film of the present invention and a conventional polyolefin-based separator. Indicated. In contrast, the lithium secondary batteries of Example 1 and Example 2 having an organic / inorganic composite porous film using porous particles had a high rate discharge (C) comparable to that of the PP / PE / PP separator of Comparative Example 1 up to a discharge rate of 2C. -rate) characteristics (see Table 3). This means that due to the many pores present in the inorganic particles themselves, the movement path of lithium ions and the electrolyte impregnation space are added to improve the performance of the battery.
상기 실험 결과를 통해, 다공성 무기 입자를 사용하여 제조된 본 발명의 유/무기 복합 다공성 필름은 비다공성 무기 입자를 사용하여 제조된 비교예 2의 유/무기 복합 다공성 필름에 비하여 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. Through the experimental results, it was confirmed that the organic / inorganic composite porous film of the present invention prepared using the porous inorganic particles is improved in performance compared to the organic / inorganic composite porous film of Comparative Example 2 prepared using non-porous inorganic particles. Could.
본 발명에 따른 다공성 무기물 입자를 이용한 유/무기 복합 다공성 필름은 입자 자체 내 다수의 기공이 존재하는 다공성 무기물 입자를 구성 성분으로 사용함으로써, 비다공성 입자를 사용한 기존의 유/무기 복합 다공성 필름에 의해 도모된 안전성 향상 효과와 더불어, 종래 비다공성 무기물 입자를 사용한 유/무기 복합 다공성 필름의 문제점으로 지적된 성능 저하를 해결할 수 있다. Organic / inorganic composite porous film using porous inorganic particles according to the present invention by using a porous inorganic particles having a plurality of pores in the particles as a component, by the existing organic / inorganic composite porous film using non-porous particles In addition to the improved safety effect, the performance degradation pointed out by the problems of the organic / inorganic composite porous film using the conventional non-porous inorganic particles can be solved.
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