KR20070112487A - 리튬이온 폴리머 전지용 분리막의 코팅량 조절방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬이온 폴리머 전지에서 분리막의 코팅량을 조절하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극 및 음극과의 접착을 위해 분리막의 양면에 접착용 코팅층을 형성함에 있어서, 분리막의 양면에 접착 성분을 도포한 후 에어 나이프를 사용하여 소정의 두께로 조절함으로써 코팅층을 형성하는 것으로 구성된 제조방법을 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 분리막의 코팅량 조절방법은 분리막의 양면에 두께가 균일한 코팅층을 형성할 수 있으며, 상기 코팅층의 두께를 용이하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 코팅층 형성시 코팅층의 두께를 조절하는 장치에 대한 별도의 세척작업 등을 생략할 수 있어 작업성을 향상시키고, 분리막의 손상을 최소화하여 전지의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

리튬이온 폴리머 전지용 분리막의 코팅량 조절방법 {Method of Controlling Coating-Quantity of Separator for Lithium-ion Polymer Battery}

도 1은 종래기술에서 컨트롤롤을 이용하여 분리막의 코팅층의 두께를 조절하는 장치의 일부 모식도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에서 에어 나이프를 사용하여 분리막의 코팅층의 두께를 조절하는 장치의 일부 모식도이다;

도 3은 도 2의 코팅층의 두께 조절 장치에서 에어 나이프의 일부 사시도이다;

도 4는 도 3의 좌측면도이고, 도 5는 도 3의 정면도이다;

도 6은 도 5에서 공기가 분사되는 노즐 부분의 확대도이다.

본 발명은 리튬이온 폴리머 전지에서 분리막의 코팅량을 조절하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극 및 음극과의 접착을 위해 분리막의 양면에 접착 용 코팅층을 형성함에 있어서, 분리막의 양면에 접착 성분을 도포한 후 에어 나이프를 사용하여 소정의 두께로 조절함으로써 코팅층을 형성하는 것으로 구성된 제조방법을 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 수요가 증가하고 있으며, 최근에는 중량 대비 고출력, 고용량의 리튬 이차전지의 비율이 크게 높아지고 있다.

리튬 이차전지는 사용되는 전해질의 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지로 분류된다. 그 중에서도 리튬이온 폴리머 전지는 양극과 음극 사이에 다공성 고분자 분리막을 개재한 후 이들을 결합시키고 상기 분리막에 전해질을 함침시켜 전지를 제조함으로써, 액체 전해질을 사용하는 전지에 비해, 전해질의 누액을 최대한 억제할 수 있고 발화 및 폭발의 위험성이 매우 적다는 장점을 가지고 있다.

이러한 리튬이온 폴리머 전지는 두 전극과 분리막을 결합시킬 때 접착력을 높여주기 위하여, 상기 분리막의 양면에 겔 폴리머 등의 다공성 코팅층을 형성한 후, 양극과 음극 사이에 개재한 상태에서 열압착시키는 방식으로 제조된다. 이때, 상기 다공성 코팅층의 두께는 전지의 성능을 좌우하는 중요한 변수로서, 리튬이온의 이동이 원활하게 이루어질 수 있도록 적절한 두께로 전면에서 일정하게 조절되는 것이 중요하다.

도 1에는 분리막에서 코팅층을 형성하는 일반적인 장치의 일부 모식도가 도시되어 있다. 도 1을 참고하면, 조절 장치(10)는 코팅용액(7)이 채워져 있는 욕조(1)와, 욕조(1)의 방향으로 분리막(6)을 제공하는 공급롤(feeding roll: 2)과, 욕조(1)에서 분리막(6)의 양면에 도포된 코팅층(8)을 적절한 두께로 조절하는 한 쌍의 컨트롤롤(controlling roll: 3)과, 코팅층(8)을 건조시키는 히터(4), 및 양면에 코팅층(8)이 형성된 분리막(6)을 말아주는 권취롤(winding roll: 5)로 구성되어 있다.

한 쌍의 컨트롤롤(3)은 코팅층(8)이 도포된 분리막(6)의 배출부에 위치하며, 분리막(6)의 양면에서 소정의 거리만큼 이격된 상태로 구비되어 있기 때문에. 상기 이격된 소정의 거리로 코팅층의 두께를 조절할 수 있다.

그러나, 이러한 한 쌍의 컨트롤롤(3)로 코팅층(8)의 두께를 조절하는 방식은, 이격 거리의 조절을 위해 장치를 일시적으로 정지시키는 경우에 컨트롤롤(3)에 코팅용액이 묻은 상태로 굳어져서 제거하기 힘들고, 컨트롤롤(3)에 의하여 분리막에 흠집 등이 생길 수 있어서, 전지의 불량을 초래할 가능성이 높다.

따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 분리막의 양면에 두께가 균일한 코팅층을 형성할 수 있으며, 상기 코팅층의 두께를 용이하게 조절할 수 있는 분리막의 코팅량 조절방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 분리막에 코팅층 형성시 코팅층의 두께를 조절하는 장치에 대한 별도의 세척작업 등을 생략할 수 있어 작업성을 향상시키고, 분리막의 손상을 최소화하여 전지의 안정성을 향상시킬 수 있는 분리막의 코팅량 조절방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기의 방법으로 제조된 분리막을 포함하는 것으로 구성된 리튬이온 폴리머 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분리막의 코팅량 조절방법은 양극 및 음극과의 접착을 위해 분리막의 양면에 접착용 코팅층을 형성함에 있어서, 분리막의 양면에 접착 성분을 도포한 후 에어 나이프를 사용하여 소정의 두께로 조절함으로써 코팅층을 형성하는 것으로 구성되어 있다.

본 발명에서 상기 접착 성분은 접착력이 우수하면서도 전지의 화학적 변화를 유발하지 않고, 코팅층을 형성하였을 때 리튬이온의 이동이 원활하게 이루어질 수 있도록 다공성의 겔 폴리머가 바람직하며, 이들의 대표적인 예로는 PVdF, PEO, PAN, PMMA 등을 들 수 있다. 그 중에서도, PVdF가 특히 바람직하다.

상기 겔 폴리머는 분리막의 양면에 용이하게 도포되며, 그 두께 조절 또한 용이하게 이행될 수 있도록, 용융하여 액상의 형태로 만들어 주는 것이 바람직하다.

상기 코팅층은 리튬이온의 이동성을 저해하지 않으며, 전지의 전체적인 두께 및 외형에 영향을 미치지 않을 정도로 1 내지 10 ㎛의 두께로 조절되는 것이 바람직하다. 여기서 상기 코팅층의 두께는 상기 에어 나이프에서 분사되는 에어의 공급량 또는 풍속 등으로 조절될 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 에어 나이프는 분리막의 양면에 대응하는 위치에서 너비 방향으로 구비되어 있는 한 쌍의 긴 막대형태로 이루어져 있고, 상기 막대형태의 길이방향으로 노즐이 형성되어 있으며, 그것의 일측에는 공기 주입구가 구비되어 있는 것으로 구성될 수 있다. 상기 에어 나이프는 분리막의 너비에 대응하는 길이로 이루어지는 것이 바람직하며, 이 경우, 상기 노즐 역시 그에 대응하는 길이로서 얇은 립(lip) 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 에어 나이프 내부로 주입된 공기는 상기 노즐에 의하여 분리막의 양면에서 길고 좁은 형태로 분사되며, 이로 인하여 상기 코팅층은 분리막상에서 고르게 도포될 수 있다.

본 발명에서 분리막에 코팅층을 형성하는 방법은 접착 성분이 채워져 있는 욕조와, 상기 욕조의 방향으로 분리막을 이동시키는 공급롤과, 분리막의 양면에 도포된 코팅층을 적절한 두께로 조절하는 에어 나이프와, 상기 코팅층을 건조시키는 히터, 및 양면에 코팅층이 형성된 분리막을 말아주는 권취롤로 구성된 장치에서 수행될 수 있다.

본 발명에서 사용된 상기 분리막은 특별히 제한되는 것은 아니며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막으로 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다.

본 발명은 또한 상기의 방법으로 코팅층을 형성한 분리막을 포함하는 것으로 구성된 리튬이온 폴리머 이차전지에 관한 것이다.

본 발명에서 사용되는 리튬이온 폴리머 이차전지의 양극과 음극, 전해질 등은 당업계에 공지되어 있는 것을 그대로 사용할 수 있으며, 이하에서 상술한다.

상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전제 및 결착제의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.

상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂), 리튬 니켈 산화물(LiNiO₂) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li_{1 + x}Mn_{2 - x}O₄ (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO₃, LiMn₂O₃, LiMnO₂ 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li₂CuO₂); LiV₃O₈, LiFe₃O₄, V₂O₅, Cu₂V₂O₇ 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi_1-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn_2-xM_xO₂ (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li₂Mn₃MO₈ (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn₂O₄; 디설파이드 화합물; Fe₂(MoO₄)₃ 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.

상기 도전제는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전제는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.

상기 결착제는 활물질과 도전제 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 결착제의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.

상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.

음극은 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.

상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

상기 음극 재료는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; Li_xFe₂O₃ (0≤x≤1), Li_xWO₂ (0≤x≤1), Sn_xMe_{1 - x}Me'_yO_z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, and Bi₂O₅ 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.

리튬염 함유 비수계 전해질은, 비수 전해질용 용매와 리튬염으로 이루어져 있다. 상기 용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.

상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO₄, LiBF₄, LiB₁₀Cl₁₀, LiPF₆, LiCF₃SO₃, LiCF₃CO₂, LiAsF₆, LiSbF₆, LiAlCl₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.

또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 에어 나이프를 사용하는 분리막 코팅 장치의 일부 모식도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 분리막 코팅 장치(20)는 접착 용액으로 PVdF 용융물(207)이 채워져 있는 욕조(201)와, 욕조(201)의 방향으로 분리막(206)을 제공하는 공급롤(202)과, 욕조(201)에서 분리막(206)의 양면에 도포된 PVdF의 코팅층(208)을 적절한 두께로 조절하는 한 쌍의 에어 나이프(203)와, 코팅층(208)을 건조시키는 히 터(204), 및 양면에 코팅층(208)이 형성된 분리막(206)을 말아주는 권취롤(205)로 구성되어 있다.

여기서, 에어 나이프(203)는 약 5 ~ 30 m/sec의 풍속의 에어가 공급될 수 있도록 작동되며, 이로 인하여 상기 분리막(206)의 코팅층(208)은 1 ~ 10 ㎛의 두께로 조절된다.

도 3에는 도 2의 코팅층의 두께 조절 장치에서 에어 나이프의 일부 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4 및 5에는 도 3의 에어 나이프의 좌측면도 및 정면도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 에어 나이프(203)는 긴 막대형태로 이루어져 있고, 그것의 일측에 구비되어 있는 공기 주입구(213)와 막대형태의 길이방향으로 형성되어 있는 노즐(223)을 포함한다. 주입구(213)에는 별도의 주입관(233)이 연결되어 있으며, 노즐(223)은 정면에서 바로 보았을 때 길고 좁은 립(lip) 형상의 구조로 이루어져 있다. 따라서, 주입구(213)를 통하여 에어 나이프(203) 내부로 유입된 공기는 노즐(223)에 의하여 길고 얇은 형태로 분사된다. 노즐은 분리막(도시하지 않음)과의 간격, 분사 각도, 풍속 등의 적절한 조절에 의해 소망하는 수준의 크기로 코팅 두께를 조절한다. 이러한 노즐의 구조는 그것의 확대도가 도시되어 있는 도 6에서 더욱 용이하게 확인할 수 있다.

이상, 본 발명에 따른 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 분리막의 코팅량 조절방법은 분리막의 양면에 두께가 균일한 코팅층을 형성할 수 있으며, 상기 코팅층의 두께를 용이하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 코팅층 형성시 코팅층의 두께를 조절하는 장치에 대한 별도의 세척작업 등을 생략할 수 있어 작업성을 향상시키고, 분리막의 손상을 최소화하여 전지의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 양극 및 음극과의 접착을 위해 분리막의 양면에 접착용 코팅층을 형성함에 있어서, 분리막의 양면에 접착 성분을 도포한 후 에어 나이프를 사용하여 소정의 두께로 조절함으로써 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 접착 성분은 겔 폴리머인 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 겔 폴리머는 PVdF, PEO, PAN 또는 PMMA인 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅층은 1 내지 10 ㎛ 두께로 조절되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 겔 폴리머를 용융하여 액상으로 만든 후 분리막의 양면에 도포하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 접착 성분이 채워져 있는 욕조와, 상기 욕조의 방향으로 분리막을 제공하는 공급롤, 분리막의 양면에 도포된 코팅층을 적절한 두께로 조절하는 에어 나이프, 상기 코팅층을 건조시키는 히터, 및 양면에 코팅층이 형성된 분리막을 말아주는 권취롤를 포함하는 장치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 에어 나이프는 분리막의 양면에 대응하는 위치에서 너비 방향으로 구비되어 있는 한 쌍의 긴 막대형태로 이루어져 있고, 상기 막대형태의 길이방향으로 노즐이 형성되어 있으며, 그것의 일측에는 공기 주입구가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 노즐은 길고 좁은 립(lip) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조방법.
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 코팅층이 형성된 분리막을 포함하는 것으로 구성된 리튬이온 폴리머 이차전지.

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