KR20100129471A - Organic/inorganic composite separator for electrochemical cell and electrochemical cell including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기화학 셀용 유무기 복합 분리막 및 이를 포함하는 전기화학 셀에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로, 양면에서 서로 대면하는 전극들의 절연상태를 유지하면서 이온의 이동이 가능할 수 있는 다공성 구조를 가진 시트형 분리막으로서, 분리막의 표면에 비산화물계 무기분말을 코팅시켜 분리막의 기계적 강도를 높일 뿐만 아니라, 우수한 내산성을 부여하여 분리막 및 셀의 우수한 성능 및 수명 특성을 갖는 전기화학 셀용 유무기 복합 분리막 및 이를 포함하는 전기화학 셀에 관한 것이다.The present invention relates to an organic-inorganic composite separator for an electrochemical cell and an electrochemical cell including the same, and more particularly, a sheet type having a porous structure capable of moving ions while maintaining an insulating state of electrodes facing each other on both sides. As a separator, by coating a non-oxide-based inorganic powder on the surface of the separator not only increases the mechanical strength of the separator, but also provides excellent acid resistance to the organic-inorganic composite separator for electrochemical cells having excellent performance and life characteristics of the separator and cells, and the like It relates to an electrochemical cell.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 충방전이 가능한 전기화학 셀의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전기화학 셀에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 그러한 전기화 학 셀의 대표적인 예로는 이차전지를 들 수 있다.As technology development and demand for mobile devices increase, the demand for electrochemical cells capable of charging and discharging as energy sources is rapidly increasing. Accordingly, many studies on electrochemical cells capable of meeting various needs have been conducted. Representative examples of such electrochemical cells include secondary batteries.
예를 들어, 리튬 이차전지는 집전체 상에 각각 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 사이에 다공성의 분리막이 개재된 전극조립체에 리튬염을 포함하는 비수계 전해질이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다. 양극 활물질로는 주로 리튬 코발트계 산화물, 리튬 망간계 산화물, 리튬 니켈계 산화물, 리튬 복합 산화물 등이 사용되고 있으며, 음극 산화물로는 주로 탄소계 물질이 사용되고 있다.For example, the lithium secondary battery has a structure in which a non-aqueous electrolyte containing lithium salt is impregnated in an electrode assembly having a porous separator interposed between a positive electrode and a negative electrode on which an active material is coated on a current collector. Lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel oxide, lithium composite oxide, and the like are mainly used as the cathode active material, and carbonaceous materials are mainly used as the cathode oxide.
이러한 리튬 이차전지는 전지 내부에 수분 함량이 증가할 경우, 전해질의 분해를 유발하여 산(예를 들어, 불산(HF))을 생성시키고, 그렇게 생성된 산은 음극 고체 전해질 계면(Solide Electrolyte Interface: SEI)의 분해 및 양극 활물질의 용해 등의 부반응을 촉진시키며, 궁극적으로 전지 용량의 감소 및 내부 저항의 증가 등의 문제점을 유발한다. 즉, 리튬 이차전지의 성능은 전지 내부의 수분 함량에 의해 큰 영향을 받으므로, 전지의 제조공정에 있어서 수분의 침투를 방지하는 것이 무엇보다 중요하다.Such lithium secondary batteries cause acid (eg, hydrofluoric acid (HF)) by causing decomposition of the electrolyte when the moisture content increases in the battery, and the generated acid is a cathode solid electrolyte interface (SEI). Side reactions such as decomposition of the cation and dissolution of the positive electrode active material, and ultimately cause problems such as a decrease in battery capacity and an increase in internal resistance. That is, since the performance of the lithium secondary battery is greatly affected by the moisture content in the battery, it is important to prevent the penetration of moisture in the battery manufacturing process.
이와 관련하여, 특허문헌 1에서는 무기계 섬유상 물질로 이루어진 부직포 또는 직포 분리막에 기계적 강도를 부여하기 위해 분리막에 무기 입자층을 형성함에 있어서 실란계 화합물을 도포하여 무기 입자층과의 접착력 향상을 도모함과 동시에 소수성 효과를 얻는 기술을 개시하고 있고, 특허문헌 2에서는 내부 기공의 크기가 다른 비대칭 기공 구조를 가진 분리막에 무기 피막을 형성하기 위하여 무기 피막의 도포 전 또는 그 후에 실란계 화합물을 도포하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 실란 화합물로서 메톡시기 등의 반응성이 강한 치환기를 사용함으로써 복잡한 화학 반응이 일어나는 이차전지 내부에서 의도하지 않은 불필요한 부반응을 일으킬 수 있으므로, 바람직하지 못하다.In this regard, in Patent Document 1, in order to impart mechanical strength to a nonwoven fabric or a woven fabric separation membrane made of an inorganic fibrous material, a silane-based compound is applied to form an inorganic particle layer in the separation membrane to improve adhesion to the inorganic particle layer and at the same time hydrophobic effect. Patent Document 2 discloses a technique of obtaining a silane-based compound before or after the coating of the inorganic coating in order to form an inorganic coating on the separation membrane having an asymmetric pore structure having a different internal pore size. . However, the above technique is not preferable because undesired unnecessary side reactions can occur in a secondary battery in which a complicated chemical reaction occurs by using a highly reactive substituent such as a methoxy group as a silane compound.
또한, 특허문헌 3에서는 분리막의 표면에 극성 용매에 친화성을 갖는 점토 광물이 코팅되어 있는 분리막을 개시하고 있고, 특허문헌 4에서는 분리막의 적어도 일면에 높은 발수성을 발휘할 수 있도록 화학 반응성이 낮은 화합물로 소수성 표면 처리가 행해진 분리막을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술 또한 상술한 문제점을 여전히 가지고 있다.In addition, Patent Document 3 discloses a separator in which a clay mineral having affinity for a polar solvent is coated on the surface of the separator, and Patent Document 4 discloses a compound having low chemical reactivity so as to exhibit high water repellency on at least one surface of the separator. Disclosed is a separation membrane subjected to hydrophobic surface treatment. However, the above technique still has the above-mentioned problem.
특허문헌 1: 한국 공개특허 제2005-0035281호Patent Document 1: Korean Patent Publication No. 2005-0035281
특허문헌 2: 한국 공개특허 제2005-0086877호Patent Document 2: Korean Patent Publication No. 2005-0086877
특허문헌 3: 한국 공개특허 제2008-0017110호Patent Document 3: Korean Unexamined Patent Publication No. 2008-0017110
특허문헌 4: 한국 공개특허 제2008-0025433호Patent Document 4: Korea Patent Publication No. 2008-0025433
이에 본 발명에서는 전기화학 셀용 분리막의 표면을 비산화물계 무기분말로 코팅하여 분리막이 전반적으로 내산성을 가지도록 함으로써, 전지의 제조과정에서 수분의 흡착 및 유입 등에 의해 생성된 산으로부터 분리막의 용해를 방지할 수 있었고, 이에 기초하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, in the present invention, the surface of the separator for electrochemical cells is coated with a non-oxide inorganic powder so that the separator has overall acid resistance, thereby preventing dissolution of the separator from acid generated by adsorption and inflow of water during the battery manufacturing process. The present invention was completed based on this.
따라서, 본 발명의 목적은 분리막의 기계적 강도를 높일 뿐만 아니라, 우수한 내산성을 갖는 전기화학 셀용 유무기 복합 분리막을 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an organic-inorganic composite separator for an electrochemical cell that not only increases the mechanical strength of the separator, but also has excellent acid resistance.
본 발명의 다른 목적은 상기 유무기 복합 분리막을 포함하여 셀의 장기수명이 향상된 전기화학 셀을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention to provide an electrochemical cell with improved long-term life of the cell including the organic-inorganic composite separator.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기화학 셀용 유무기 복합 분리막은 양면에서 서로 대면하는 전극들의 절연상태를 유지하면서 이온의 이동이 가능할 수 있는 다공성 구조를 가진 시트형 분리막으로서, 분리막의 표면에 비산화물계 무기분말이 코팅된 것을 특징으로 한다.The organic-inorganic composite membrane for an electrochemical cell of the present invention for achieving the above object is a sheet-type separator having a porous structure capable of moving ions while maintaining the insulation state of the electrodes facing each other on both sides, a non-oxide on the surface of the separator It is characterized in that the inorganic powder is coated.
상기 분리막에 있어서, 상기 비산화물계 무기분말은 Si3N4, SiC, AlN, 또는 WC인 것을 특징으로 한다.In the separator, the non-oxide inorganic powder is Si 3 N 4 , SiC, AlN, or WC characterized in that.
상기 분리막에 있어서, 상기 비산화물계 무기분말은 질화물인 것을 특징으로 한다.In the separation membrane, the non-oxide inorganic powder is characterized in that the nitride.
상기 분리막에 있어서, 상기 질화물이 Si3N4, 또는 AlN인 것을 특징으로 한다.In the separator, the nitride is characterized in that Si 3 N 4 , or AlN.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 전기화학 셀용 유무기 복합 분리막을 포함하는 전기화학 셀은 전술한 어느 하나의 실시 예에 따른 시트형 분리막이 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 전극조립체를 포함하는 것을 특징으로 한다.Electrochemical cell comprising an organic-inorganic composite separator for an electrochemical cell for achieving another object of the present invention is characterized in that the sheet-like separator according to any one of the above-described embodiment comprises an electrode assembly interposed between the positive electrode and the negative electrode It is done.
상기 전기화학 셀에 있어서, 상기 전기화학 셀은 이차전지 또는 캐패시터인 것을 특징으로 한다.In the electrochemical cell, the electrochemical cell is characterized in that the secondary battery or capacitor.
상기 전기화학 셀에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 한다.In the electrochemical cell, the secondary battery is characterized in that the lithium secondary battery.
상기 전기화학 셀에 있어서, 상기 이차전지는 고출력 대용량의 전지팩에 단위전지로서 사용되는 것을 특징으로 한다.In the electrochemical cell, the secondary battery is used as a unit cell in a battery pack of high output large capacity.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 분리막은 적어도 일면에 비산화물계 무기분말로 코팅 처리가 행해진 다공성 분리막으로서, 우수한 내산성을 가질 수 있으므로 전지의 제조과정에서 흡입되는 수분에 의해 생성된 산으로부터 안정성을 확보하여 이를 포함하고 있는 전기화학 셀의 성능 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.As described above, the separator according to the present invention is a porous separator in which at least one surface is coated with a non-oxide inorganic powder, and may have excellent acid resistance, so that it is stable from acid generated by moisture sucked in the manufacturing process of the battery. It is possible to improve the performance and life characteristics of the electrochemical cell containing it.
이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Looking at the present invention in more detail as follows.
일반적으로, 전기화학 셀은 양극과 음극 및 그 사이에 개재된 분리막으로 이루어진 전극조립체를 케이스 내부에 장착하고 비수계 전해액을 주입한 뒤, 상기 케이스를 밀봉하는 것으로 제조될 수 있다. 이러한 전기화학 셀은, 특히 전극의 제조과정에서 전극 합제 또는 전해액으로 침투된 수분(H2O)과 전해액(LiPF6)이 반응하여 산(예를 들어, 불산(HF))이 생성되며, 상기 산은 분리막의 기계적 강도 향상을 위해 코팅된 산화물 계열의 무기분말을 용해시켜 전기화학 셀의 기계적 강도 및 장기수명을 저하시킨다.In general, an electrochemical cell may be manufactured by mounting an electrode assembly including an anode, a cathode, and a separator interposed therebetween in a case, injecting a non-aqueous electrolyte, and then sealing the case. In such an electrochemical cell, an acid (eg, hydrofluoric acid (HF)) is generated by reacting water (H 2 O) penetrated into an electrode mixture or electrolyte solution and an electrolyte solution (LiPF 6 ), in particular, during electrode manufacturing. Acid dissolves the coated oxide-based inorganic powder in order to improve the mechanical strength of the separator, thereby reducing the mechanical strength and long life of the electrochemical cell.
따라서, 본 발명에서는 분리막의 표면에 산(acid)에 내성을 갖는 비산물계 무기분말로 코팅 처리를 행함으로써, 전극의 제조과정에서 전지 내부에 흡착 또는 유입된 수분에 의해 생성된 산의 생성을 억제하여, 전기화학 셀 내부에서 수분에 의한 부반응을 방지함으로써, 고온 보존 특성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 분리막을 비산화물계 무기분말로 코팅 처리를 행함으로써, 셀 내에서 수분의 작용으로 인해 생성된 불산에 의한 무기분말의 용해를 방지하고, 음극 SEI막의 분해를 방지하며, 양극 활물질이 용해되는 현상을 최소화할 수 있다.Therefore, in the present invention, by coating the surface of the separator with a non-acid inorganic powder that is resistant to acid (acid), the production of acid generated by the moisture adsorbed or introduced into the battery during the electrode manufacturing process is suppressed. Thus, the high temperature storage characteristics can be improved by preventing side reactions caused by moisture in the electrochemical cell. Specifically, by coating the separator with a non-oxide inorganic powder, it is possible to prevent dissolution of the inorganic powder by hydrofluoric acid generated by the action of moisture in the cell, to prevent decomposition of the negative electrode SEI film, and to dissolve the positive electrode active material. This can minimize the phenomenon.
본 발명에 따르면, 상기 비산화물계 무기분말의 예로는 Si3N4, SiC, AlN, 또 는 WC 등이 있으며, 본 발명에 좀 더 바람직한 상기 비산화물계 무기분말은 질화물이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 분리막은 분리막 상에 질화물 세라믹 분말을 도포 및 건조함으로써 제조될 수 있다. 상기 질화물의 예로는 Si3N4, 또는 AlN 등이 있다.According to the present invention, examples of the non-oxide inorganic powder include Si 3 N 4 , SiC, AlN, or WC, and the like. More preferably, the non-oxide inorganic powder is nitride. Referring to Figure 1, the separator according to the present invention can be prepared by applying and drying the nitride ceramic powder on the separator. Examples of the nitrides include Si 3 N 4 , or AlN.
본 발명에 있어서, 상기 분리막의 적어도 일면에 비산화물계 무기분말을 코팅 처리하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 무기물 입자가 분산된 바인더 고분자의 용액을 다공성 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. 또한, 다공성 활성층은 다공성 기재의 양면 모두 또는 일면에만 선택적으로 형성할 수 있다.In the present invention, the method of coating the non-oxide inorganic powder on at least one surface of the separator is not particularly limited. Coating the solution of the binder polymer in which the inorganic particles are dispersed on the porous substrate may be a conventional coating method known in the art, for example, dip coating, die coating, roll Various methods such as coating, comma coating, or a mixture thereof can be used. In addition, the porous active layer may be selectively formed on both surfaces or only one surface of the porous substrate.
이와 같이 제조된 본 발명의 유기/무기 복합 분리막은 전기화학소자, 바람직하게는 리튬 이차전지의 분리막(separator)으로 사용될 수 있다. 이때 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우, 상기 분리막을 이용하여 전지를 조립한 후 주입된 전해액과 고분자가 반응하여 겔화됨으로써, 겔형 유기/무기 복합 전해질을 형성할 수 있다.The organic / inorganic composite separator of the present invention prepared as described above may be used as a separator of an electrochemical device, preferably a lithium secondary battery. In this case, when a gelable polymer is used as the binder polymer component when the liquid electrolyte is impregnated, the gel-organic organic / inorganic composite electrolyte may be formed by assembling the battery using the separator and then reacting the gel with the injected electrolyte and the polymer.
또한, 본 발명은 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 전술한 다공성 활성층이 코팅된 유기/무기 복합분리막, 및 전해질을 포함하는 전기화학소자를 제공한다.The present invention also provides an electrochemical device including an anode, a cathode, an organic / inorganic composite separator coated with the above-mentioned porous active layer interposed between the anode and the cathode, and an electrolyte.
전기화학소자는 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 이차전지가 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. Particularly, 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 is preferable.
전기화학소자는 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 이의 일실시 예에 따르면, 양극과 음극 사이에 전술한 유기/무기 복합 분리막을 개재(介在)시켜 조립한 후 전해액을 주입함으로써 제조될 수 있다.The electrochemical device may be manufactured according to a conventional method known in the art, and according to one embodiment thereof, the electrolyte is injected after assembling the organic / inorganic composite separator described above between the positive electrode and the negative electrode. It can be manufactured by.
본 발명의 유기/무기 복합 분리막과 함께 적용될 전극으로는 특별히 제한되지 않으며, 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극 활물질을 전극 전류 집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. The electrode to be applied together with the organic / inorganic composite separator of the present invention is not particularly limited, and according to a conventional method known in the art, the electrode active material may be manufactured in a form bound to the electrode current collector.
상기 전극 활물질 중 양극 활물질은, 예를 들어, 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극 활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 음극 활물질은, 예를 들어, 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극 활물질이 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. 양극 전류 집전체는, 예를 들어, 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 전류 집전체는, 예를 들어, 구리, 금, 니 켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.The positive electrode active material of the electrode active material, for example, can be used 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 a combination thereof It is preferable to use one lithium composite oxide. As the negative electrode active material, for example, a conventional negative electrode active material that can be used for the negative electrode of the conventional electrochemical device can be used, and in particular, lithium metal or lithium alloy, carbon, petroleum coke, activated carbon, Lithium adsorbents such as graphite or other carbons are preferred. The positive electrode current collector includes, for example, a foil made of aluminum, nickel, or a combination thereof, and the negative electrode current collector is, for example, copper, gold, nickel, or a copper alloy or a combination thereof. By foil.
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 (-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 +, and contains the ion consisting of alkali metal cations or a combination of both 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 Salts containing ions consisting of anions such as SO 2 ) 3 - or a combination thereof are 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 (-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 유기/무기 복합 분리막을 전지로 적용하는 공정으로는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.As a process of applying the organic / inorganic composite separator of the present invention to a battery, a lamination, stacking and folding process of the separator and the electrode may be performed in addition to the general winding process.
이하, 실시 예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시 예는 본 발명 을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are provided to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
실험 예 1 : 분리막의 내산성 비교Experimental Example 1 Comparison of Acid Resistance of Membrane
실시 예 1Example 1
1-1. 분리막의 제조1-1. Preparation of Membrane
분리막의 베어 필름으로 두께 20x10-6 m의 다공성 폴리올레핀계 분리막을 사용하였으며, 코팅액은 톨루엔에 Si3N4를 0.1~0.5 wt%, PVdF 0.1~1 wt%를 첨가 후 Sonicate에 약 20분간 분산시켜 슬러리를 준비하여 상기 분리막의 양면에 딥코팅 방식으로 Si3N4를 코팅 처리하여 분리막을 제조하였다.As a bare film of the separator, a porous polyolefin-based separator having a thickness of 20x10 -6 m was used, and the coating solution was dispersed in Sonicate for 20 minutes after adding 0.1 to 0.5 wt% of Si 3 N 4 and 0.1 to 1 wt% of PVdF to toluene. A slurry was prepared by preparing a slurry and coating Si 3 N 4 on both surfaces of the separator by a dip coating method.
비교 예 1Comparative Example 1
분리막에 Al2O3로 코팅 처리한 것을 제외하고는 상기 실시 예 1과 동일한 방법으로 분리막을 제조하였다.A separator was prepared in the same manner as in Example 1, except that the separator was coated with Al 2 O 3 .
상기 실시 예 1과 비교 예 1에서 각각 제조된 분리막의 내산성을 평가하기 위해, 실시 예 1과 비교 예 1에서 각각 제조한 분리막 5x5 cm2를 1M LiPF6 EC/EMC (1/2 wt/wt) 전해액 및 500 ppm의 HF (45 wt% 수용액)와 함께 vial에 담아 60에서 1 주 동안 보관하였다. 이후 각 전해액을 ICP 분석을 통해 Si과 Al 함량을 측정하였다. 측정결과, 실시예 1의 분리막을 접한 전해액에서는 5 (±1) ppm 이 측정된 반면, 비교예 1의 분리막을 접한 전해액에서는 730 (±10) ppm의 Al이 측정되었다. 이는 비교예1의 분리막은 전해액에 존재하는 HF에 의해 Al2O3의 화학적 용해 반응이 발생한 반면, HF에 비활성인 Si3N4을 사용한 실시예 1의 분리막의 경우는 Si3N4의 용해반응이 미미한 정도로 발생했음을 보여준다. 즉, 본 발명에 따른 실시 예 1의 분리막은 비교예 2의 분리막에 비해 내산성이 우수함을 알 수 있다.In order to evaluate the acid resistance of the separators prepared in Example 1 and Comparative Example 1, 1M LiPF 6 EC / EMC (1/2 wt / wt) of 5x5 cm 2 prepared in Example 1 and Comparative Example 1, respectively The solution was stored in vial with electrolyte and 500 ppm HF (45 wt% aqueous solution) for 60 to 1 week. Since each electrolyte was measured by Si and Al content through ICP analysis. As a result, 5 (± 1) ppm was measured in the electrolyte solution in contact with the separator of Example 1, while Al of 730 (± 10) ppm was measured in the electrolyte solution in contact with the separator of Comparative Example 1. This is because the separation membrane of Comparative Example 1 has a chemical dissolution reaction of Al 2 O 3 by HF present in the electrolyte, whereas the separation membrane of Example 1 using Si 3 N 4 which is inert to HF dissolves Si 3 N 4 . It shows that the reaction occurred in a slight degree. That is, it can be seen that the separator of Example 1 according to the present invention has superior acid resistance than the separator of Comparative Example 2.
실험 예 2 : 전지의 고온보존 특성 평가Experimental Example 2 Evaluation of High Temperature Storage Characteristics of Battery
실시 예 2Example 2
2-1. 양극의 제조2-1. Manufacture of anode
양극 활물질로 LiCoO2를 사용하였고, LiCoO2 95 중량%, 및 Super-P(도전재) 2.5 중량%, PVdF(결착제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 긴 시트형 알루미늄 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 양극을 제조하였다.LiCoO 2 was used as a positive electrode active material, and 95% by weight of LiCoO 2 , 2.5% by weight of Super-P (conductor), and 2.5% by weight of PVdF (binder) were added to N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent. To prepare a positive electrode mixture slurry, and then coated, dried, and pressed on a long sheet aluminum foil to prepare a positive electrode.
2-2. 음극의 제조2-2. Preparation of Cathode
음극 활물질로는 인조흑연을 사용하였고, 인조흑연 95 중량%, 및 Super-P(도전재) 2.5 중량%, PVdF(결착제) 2.5 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 긴 시트형 구리 호일 상에 코팅, 건조 및 압착하여 음극을 제조하였다.Artificial graphite was used as the negative electrode active material, and 95% by weight of artificial graphite, 2.5% by weight of Super-P (conductive material), and 2.5% by weight of PVdF (binder) were added to NMP as a solvent to prepare a negative electrode mixture slurry. The negative electrode was prepared by coating, drying and pressing on a long sheet copper foil.
2-3. 전지의 제조2-3. Manufacture of batteries
상기 실시예 1의 분리막을 상기 2-1 및 2-2의 양극과 음극 사이에 개재하고 200 ppm의 HF (45 wt% 수용액)를 포함하는 1M LiPF6 EC/EMC (1/2 wt/wt) 전해액을 주입하여 코인형 리튬 이차전지를 제조하였다.1M LiPF 6 EC / EMC (1/2 wt / wt) containing 200 ppm of HF (45 wt% aqueous solution) interposed between the separator of Example 1 and the cathode and cathode of 2-1 and 2-2. An electrolyte solution was injected to prepare a coin-type lithium secondary battery.
비교 예 2Comparative Example 2
상기 비교예 1의 분리막을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 코인형 리튬 이차전지를 제조하였다.A coin-type lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the separator of Comparative Example 1 was used.
상기 실시 예 2와 비교 예 2에서 각각 제조된 전극의 고온 보존 특성을 평가하기 위해, 실시 예 2와 비교 예 2에서 각각 제조한 전지들을 만충전 상태로 60에서 2 주 동안 저장한 후, 1 C 용량을 측정하여 초기 용량에 대한 비율로서, 하기 표 1에 나타내었다.In order to evaluate the high temperature storage characteristics of the electrodes prepared in Example 2 and Comparative Example 2, the batteries prepared in Example 2 and Comparative Example 2, respectively, after storing for 60 to 2 weeks in a fully charged state, 1 C Dose was measured and shown in Table 1 as a ratio to the initial dose.
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 내산성이 우수한 분리막을 사용한 실시 예 2의 전지는 고온 보존 후 초기용량에 대한 용량의 비율이 90% 이상으로 매우 높았다. 즉, 비산화물계 무기분말을 사용함으로써, 고온 보존 시 전해액의 산성분에 의한 전지 내부의 부반응을 억제하여 용량 보존 특성이 향상되었음을 확인할 수 있다. 반면에, 내산성이 상대적으로 떨어지는 분리막을 사용한 비교 예 2의 전지는, 산화물 무기분말의 화학적 용해반응이 진행되고, 그 결과 생기는 부산물들이 각종 부반응을 일으킨 결과, 고온 보존 후 초기용량에 비하여 용량이 큰 폭으로 감소한 것으로 추정된다.As shown in Table 1, the battery of Example 2 using the excellent acid resistance separator according to the present invention was very high as the ratio of the capacity to the initial capacity after storage at 90% or more. That is, by using a non-oxide inorganic powder, it can be confirmed that the capacity storage characteristics are improved by suppressing side reactions inside the battery due to the acid component of the electrolyte during high temperature storage. On the other hand, the battery of Comparative Example 2 using a separator having relatively low acid resistance has a higher capacity than the initial capacity after high temperature storage as a result of chemical dissolution reaction of the oxide inorganic powder and the resulting by-products causing various side reactions. It is estimated to have decreased in width.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 질화물 세라믹 분말이 코팅된 분리막을 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing a separator coated with a nitride ceramic powder according to an embodiment of the present invention.
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