KR20120067647A - 세퍼레이터 및 그 세퍼레이터의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 기재의 적어도 일면에 연속 또는 불연속의 경화된 수축방지 패턴층이 형성된 이차전지용 세퍼레이터에 관한 것으로, 연속적인 비다공성 패턴층으로 이루어진 홈을 갖는 본 발명의 이차전지용 세퍼레이터는 패턴층으로 이루어진 홈이 골격을 형성하므로 전체적인 세퍼레이터의 내열성이 우수하고, 급격한 열수축의 방지가 가능하다. 또한, 본 발명의 제조방법은 다공성 기재의 표면을 부분적으로 가열하여 홈을 형성하는 것으로 이차전지용 세퍼레이터의 제조가 용이하다.

Description

세퍼레이터 및 그 세퍼레이터의 제조방법{SEPARATOR AND PREPARATION METHOD OF SEPARATOR THEREOF}
본 발명은 이차전지용 세퍼레이터 및 그 제조방법에 관한 것으로 내열성이 강화된 세퍼레이터에 대한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 촛점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. 그러나 이러한 리튬 이온 전지는 유기 전해액을 사용하는 데 따르는 발화 및 폭발 등의 안전 문제가 존재하고, 제조가 까다로운 단점이 있다. 최근의 리튬 이온 고분자 전지는 이러한 리튬 이온 전지의 약점을 개선하여 차세대 전지의 하나로 꼽히고 있으나 아직까지 전지의 용량이 리튬 이온 전지와 비교하여 상대적으로 낮고, 특히 저온에서의 방전 용량이 불충분하여 이에 대한 개선이 시급히 요구되고 있다.
상기와 같은 전기화학소자는 많은 회사에서 생산되고 있으나 그들의 안전성 특성은 각각 다른 양상을 보인다. 이러한 전기화학소자의 안전성 평가 및 안전성 확보는 매우 중요하다. 가장 중요한 고려사항은 전기화학소자가 오작동시 사용자에게 상해를 입혀서는 안된다는 것이며, 이러한 목적으로 안전규격은 전기화학소자 내의 발화 및 발연 등을 엄격히 규제하고 있다. 전기화학소자의 안전성 특성에 있어서, 전기화학소자가 과열되어 열폭주가 일어나거나 분리막이 관통될 경우에는 폭발을 일으키게 될 우려가 크다. 특히, 전기화학소자의 분리막으로서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀계 다공성 기재는 재료적 특성과 연신을 포함하는 제조공정 상의 특성으로 인하여 100도 이상의 온도에서 극심한 열 수축 거동을 보임으로서, 양극과 음극 사이의 단락을 일으키는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서, 내열성 재료를 혼합하여 분리막으로 제조하거나 내열성 필름을 분리막에 부착하거나 또는 내열성 물질을 코팅하는 방법이 연구되고 있으나 제조방법이 번거로운 단점이 있다.
이에 용이하게 제조할 수 있는 내열성이 향상된 세퍼레이터가 요구되고 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 온도 상승에 의해서도 극심한 열수축 거동을 보이지 않는 세퍼레이터의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 다공성 기재의 적어도 일면에 연속 또는 불연속의 경화된 수축방지 패턴층이 형성된 이차전지용 세퍼레이터를 제공한다.
이러한 경화된 수축방지 패턴층은 미리 결정된 형태의 비다공성의 경화된 패턴층으로 이루어진 홈인 것이 바람직하고, 상기 미리 결정된 형태의 비다공성의 경화된 패턴층으로 이루어진 홈은 상기 다공성 기재의 외면을 가열에 의해 경화시켜 형성할 수 있다.
상기 홈의 비다공성 패턴층의 두께는 다공성 기재의 두께 대비 10 내지 50%인 것이 바람직하고, 홈의 깊이는 다공성 기재의 두께 대비 2 내지 25%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 비다공성 패턴층은 격자무늬 패턴층일 수 있다.
상기 다공성 기재는 폴리올레핀계 다공성 기재인 것을 사용할 수 있다. 그리고, 이러한 폴리올레핀계 다공성 기재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자로 형성된 것을 사용할 수 있다.
이러한 다공성 기재의 두께는 5 내지 50 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 다공성 기재를 준비하는 단계; 및 가열된 몰드 또는 롤러를 사용하여 상기 준비된 다공성 기재의 표면을 경화되도록 가열하여, 다공성 기재의 적어도 일면에 미리 결정된 형태의 불연속 또는 연속의 비다공성 패턴층으로 이루어진 홈을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지용 세퍼레이터의 제조방법을 제공한다.
다공성 기재의 적어도 일면에 연속 또는 불연속의 경화된 수축방지 패턴층을 갖는 본 발명의 이차전지용 세퍼레이터는 경화된 수축방지 패턴층이 골격(frame)을 형성하므로 전체적인 세퍼레이터의 내열성이 우수하고, 급격한 열수축의 방지가 가능하다.
또한, 본 발명의 제조방법은 다공성 기재의 표면을 부분적으로 가열하고 경화하여 홈을 형성하는 것으로 이차전지용 세퍼레이터의 제조가 용이하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예에 따른 비다공성 패턴층 홈이 형성된 세퍼레이터의 평면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 비다공성 패턴층 홈이 형성된 세퍼레이터의 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 비다공성 패턴층 홈이 형성된 세퍼레이터의 SEM 사진이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 일시예의 세퍼레이터가 도시되어 있고, 도 2에는 이러한 세퍼레이터의 단면도가 도시되어 있다. 하지만, 이하 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 이차전지용 세퍼레이터는 다공성 기재의 적어도 일면에 연속 또는 불연속의 경화된 수축방지 패턴층이 형성되어 있다. 이러한 수축방지 패턴층은 다공성 기재와 이질적인 물질로 이루어진 것이 아니라 다공성 기재의 표면을 가공처리하여 형성하는 패턴층으로, 다공성 기재보다 기계적 강도가 우수하도록 경화되어 있어, 세퍼레이터의 열수축을 방지하는 기능을 하게 된다. 이들 패턴층은 일종의 열수축 방지의 기능을 수행할 수 있는 골격 내지 틀의 역할을 하게 된다. 이러한 패턴층은 효과적인 열수축방지를 위해서는 연속의 패턴층인 것이 바람직하지만, 불연속의 패턴층 또한 열수축 방지에 기여할 수 있다. 여기서 연속이라 함은 패턴이 상기 다공성 기재에 전체적으로 폐쇄된 형태의 다각형 또는 불규칙적인 도형으로 이루어진 것을 의미하고, 불연속이라 함은 패턴이 폐쇄되지 아니한 다각형 또는 불규칙적인 도형이거나 폐쇄된 형태라 하여도 다공성 기재의 일부분에만 패턴층이 형성되어 있는 것을 의미한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 이차전지용 세퍼레이터(100)는 다공성 기재(110)의 적어도 일면에 미리 결정된 형태의 비다공성의 경화된 패턴층으로 이루어진 홈(120)을 구비한다.
이러한 미리 결정된 형태의 비다공성의 경화된 패턴층으로 이루어진 홈(120)은 다공성 기재를 표면에 경화된 패턴층을 형성할 수 있는 방법은 특별이 제한하는 것은 아니지만, 다공성 기재의 표면에 열을 가하여 경화시키는 방법이 바람직하다.
이러한 홈(120)은 다공성 기재(110)의 표면의 일부분에 열을 가하여 부분적인 용융이 일어나게 한 후에 경화하여 형성되는 비다공성 패턴층으로 이루어질 수 있으며, 다공성 기재(110)가 용융이 일어나서 경화에 의해서 다시 굳어버리는 경우에는 기공이 막혀서 비다공성이 된다. 또한 연신에 의해서 기공이 형성되어 제조된 다공성 기재(110)인 경우에는 용융점에 못 미치는 온도의 가열에 의해서도 수축이 일어나게 되어 기공이 막히게 되며 경화되는 데, 상기 홈(120)은 다공성 기재(110)를 융융점 이하에서 가열하여 수축에 의해 경화되는 비다공성 패턴층으로 이루어질 수 있다. 비다공성이 되어 경화된 패턴층은 기계적 강도가 증가하게 되며, 열수축성이 감소하여 이후에 열을 가하는 경우에도 수축이 적게 일어나게 되므로 내열성이 증가하게 된다. 미리 결정된 형태의 비다공성 패턴층은 그 형태를 특별히 한정하는 것은 아니지만 다공성 기재에 열이 가해졌을 때에 수축이 일어나는 것을 효과적으로 방지하기 위한 형태이어야 하므로, 수축되는 힘을 골고루 받을 수 있는 격자형이나 정삼각형 또는 정육각형과 같이 대칭되는 다각형인 것이 바람직하다. 특히, 이러한 다공성 기재는 일반적으로 연신과정을 거쳐 제조되는 데, 열수축시에 이러한 연신방향으로 수축이 발생하게 되므로, 이러한 열수축을 효과적으로 방지하기 위하여 연신방향과 어긋나도록 패턴층을 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들면 격자무늬인 경우에는 세로면이나 가로면이 연신방향과 직각 또는 수평이 되지 않도록 기울어진 형태의 패턴층이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 다공성 기재가 가열에 따라 용융 또는 수축에 의해 경화되어 비다공성 패턴층이 형성되면서 부피가 감소하여 홈이 생성되는데 이러한 홈의 깊이는 다공성 기재의 두께 대비 2 내지 25%인 것이 바람직하다. 홈의 단면은 패턴층 형성시에 사용되는 몰드나 롤러의 형태에 따라 다르지만 일반적으로 반원형이나 사각형의 형태를 보인다. 이 때의 비다공성 패턴층의 두께는 다공성 기재의 깊이 방향의 두께를 지칭하는 것으로, 수축방지를 위한 일정한 형태를 유지하기 위해서는 다공성 기재의 두께 대비 10 내지 50%인 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 다공성 기재로는 폴리올레핀계 다공성 기재를 사용할 수 있으며, 이러한 폴리올레핀계 다공성 기재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자로 형성된 것을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 다공성 기재의 두께는 5 내지 50 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 세퍼레이터는 다음과 같은 과정을 통하여 제조할 수 있다.
먼저, 다공성 기재를 준비한다. 이러한 다공성 기재로는 폴리올레핀계 다공성 기재를 사용할 수 있으며, 이러한 폴리올레핀계 다공성 기재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자로 형성된 것을 사용할 수 있다.
이후에, 가열된 몰드 또는 롤러를 사용하여 상기 준비된 다공성 기재의 표면을 경화되도록 가열하여, 다공성 기재의 적어도 일면에 미리 결정된 형태의 불연속 또는 연속의 비다공성 패턴층으로 이루어진 홈을 형성하여 이차전지용 세퍼레이터를 제조한다.
이러한 몰드는 미리 결정된 형태의 불연속 또는 연속의 패턴이 미리 형성된 것으로 금속으로 이루어진 그물형태의 망으로 이루어진 것으로 일정한 온도로 가열하여 다공성 기재의 적어도 일면에 접촉하여 표면을 용융 또는 수축에 의하여 경화시켜서 비다공성 패턴층으로 이루어진 홈을 형성하게 된다.
또한 롤러의 경우에는 표면에 연속되는 패턴층을 형성할 수 있는 돌출된 성형틀을 구비하게 되며, 일정한 온도로 가열하여 다공성 기재의 적어도 일면에 접촉하여 표면을 용융 또는 수축에 의하여 비다공성 패턴층으로 이루어진 홈을 형성하게 된다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
가로 1 mm X 세로 1 mm의 격자 무늬 패턴을 가지는 금속 몰드를 준비하고, 몰드의 온도가 110 ℃가 되도록 가열하였다.
폴리에틴렌으로 이루어진 두께가 30 ㎛이고, 연신하여 기공을 형성한 다공성 필름에 상기 가열된 몰드를 접촉하였다. 가열된 몰드가 접촉된 다공성 필름은 접촉부가 수축하게 되고, 패턴층의 두께가 10 ㎛이고 홈의 깊이가 3 ㎛인 홈을 형성하였다.
상기 제조된 세퍼레이터의 SEM사진을 도 3에 나타내었다.
도 3의 SEM 사진에 따르면 다공성 기재 부분(140)과 비다공성 패턴층 홈(150)이 명확히 구분됨을 알 수 있었다.
100 : 세퍼레이터 110 : 다공성 기재
120 : 격자무늬 패턴층 홈 130 : 비다공성 패턴층
140 : 다공성 기재 150 : 비다공성 패턴층 홈

Claims (15)

  1. 다공성 기재의 적어도 일면에 연속 또는 불연속의 경화된 수축방지 패턴층이 형성된 이차전지용 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경화된 수축방지 패턴층은 미리 결정된 형태의 비다공성의 경화된 패턴층으로 이루어진 홈인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미리 결정된 형태의 비다공성의 경화된 패턴층으로 이루어진 홈은 상기 다공성 기재의 외면을 가열에 의해 경화시켜 형성한 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 홈의 비다공성의 경화된 패턴층의 두께는 다공성 기재의 두께 대비 10 내지 50%인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 홈의 깊이는 다공성 기재의 두께 대비 2 내지 25%인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 비다공성의 경화된 패턴층은 격자무늬 패턴층인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 기재는 폴리올레핀계 다공성 기재인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 다공성 기재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 기재의 두께는 5 내지 50 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터.
  10. 다공성 기재를 준비하는 단계; 및
    가열된 몰드 또는 롤러를 사용하여 상기 준비된 다공성 기재의 표면을 경화되도록 가열하여, 다공성 기재의 적어도 일면에 미리 결정된 형태의 불연속 또는 연속의 비다공성 패턴층으로 이루어진 홈을 형성하는 단계를 포함하는 이차전지용 세퍼레이터의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 홈의 비다공성 패턴층의 두께는 다공성 기재의 두께 대비 10 내지 50%인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 홈의 깊이는 다공성 기재의 두께 대비 2 내지 25%인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 비다공성 패턴층은 격자무늬 패턴층인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 다공성 기재의 두께는 5 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지용 세퍼레이터의 제조방법.
  15. 양극; 음극; 상기 양극과 음극 상이에 개재된 상기 제1항 내지 제9항 중에서 선택된 어느 한 항의 세퍼레이터 및 전해액을 구비하는 이차전지.
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