KR20130085964A - 전기 공급 소자 및 이의 세라믹 분리판 - Google Patents

전기 공급 소자 및 이의 세라믹 분리판 Download PDF

Info

Publication number
KR20130085964A
KR20130085964A KR1020130002925A KR20130002925A KR20130085964A KR 20130085964 A KR20130085964 A KR 20130085964A KR 1020130002925 A KR1020130002925 A KR 1020130002925A KR 20130002925 A KR20130002925 A KR 20130002925A KR 20130085964 A KR20130085964 A KR 20130085964A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
current collector
binder system
ceramic
collector layer
crosslinked polymer
Prior art date
Application number
KR1020130002925A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101493584B1 (ko
Inventor
쯔-난 양
Original Assignee
프로로지움 홀딩 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 프로로지움 홀딩 인크. filed Critical 프로로지움 홀딩 인크.
Publication of KR20130085964A publication Critical patent/KR20130085964A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101493584B1 publication Critical patent/KR101493584B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H01M50/434—Ceramics
    • H01M50/437—Glass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/417—Polyolefins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H01M50/434—Ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/44—Fibrous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cell Separators (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

전기 공급 소자 및 이의 세라믹 분리판이 제공된다. 세라믹 분리판은 이온 이동과 전기 절연을 가능하게 하도록 전기 공급 소자의 두 개의 전극층을 분리하도록 구성된다. 세라믹 분리판은 세라믹 미립자와 접착제로 형성된다. 접착제는 선형 고분자와 가교 고분자를 포함하는 이중 바인더 시스템을 사용한다. 접착성과 내열성이 이러한 두 종류의 고분자의 특징에 의해 향상된다. 높은 작동 온도에서 두 전극층의 각각의 위치가 유지되어 안정성 및 배터리 성능을 개선한다. 또한, 세라믹 분리판은 이온 전도성을 향상시키고 미세 단락의 가능성을 감소시켜 실제 활용도를 증가시킨다.

Description

전기 공급 소자 및 이의 세라믹 분리판{ELECTRICITY SUPPLY ELEMENT AND CERAMIC SEPARATOR THEREOF}
본 발명은 전기 공급 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내열성 및 이온 전도성을 향상시키는 세라믹 분리판을 갖는 전기 공급 소자에 관한 것이다.
분리판(막) 은 리튬 배터리의 중요한 구성 단위이다. 분리판은 양극층과 음극층 사이에 배치된다. 분리판은 양극층과 음극층을 전기적으로 절연시켜 배터리 전해질이 이들 사이에서 유일한 이온 전도성 경로를 형성하도록 한다. 분리판이 이러한 절연 기능을 제공할 수 있도록, 분리판은 낮은 전기 저항을 보여야 하고, 전해질 환경에서 화학적으로 안정되어야 하고, 강성 및 크래킹에 견뎌야 하고, 배터리 전해질에 대해 습윤성이 있어야 하며, 활물질 이동을 제한하여야 한다.
PE 또는 PP와 같은 미세 다공성(microporous) 폴리올레핀 필름은 화학적으로 안정적이고 물리적 특성에 뛰어나기 때문에 배터리 분리판을 제조하는데 널리 사용된다. PE의 융해점은 대략 130℃이고 PP의 융해점은 대략 160℃이다. 고분자 분리판의 제한된 열 및 기계적 안정성은 배터리의 과열 및 분리판의 융해와 파열에 의한 폭발로 이어질 수 있다. 배터리에서의 분리판의 열 가동 창(thermal operation window)은 셧다운 온도 및 멜트다운 온도에 의해 결정된다. 따라서, 최근에, 높은 열 안정성과 양호한 습윤성을 갖는 세라믹 분리판이 개발되었다.
두 가지 유형이 세라믹 분리판이 있다. 첫 번째 유형은 미국 특허 제 5,342,709호와 같은 폴리올레핀을 대체하기 위해 분리판의 주재료로서 세라믹 입자를 사용하는 것이다. 두 번째 유형은 미국 특허출원 공개 제2008/0138700호와 같은 PET, PEN 또는 PI로 형성된 필름 상에 코팅되는 세라믹 입자를 사용하는 것이다.
첫 번째 유형에 있어서, 분리판의 세라믹 입자는 접착제에 의해 전극층과 접합된다. 접착제의 바인더 시스템(binder system)은 전극층의 바인더 시스템과 유사하다. 따라서, 용매 시스템 또한 유사하다. 코팅 이후 용매를 건조할 때, 입자 재배열 및 접착제 얽힘(entanglement)이 발생하고 홀이 계면에서 대량으로 형성된다. 홀은 이온 이동성(ion mobility)을 위한 좋은 경로가 된다. 그러나, 용매가 짧은 시간에 제거되기 때문에, 홀은 미세 단락(micro-short)을 유발할 정도로 클 수 있다. 따라서, 배터리 내의 전극의 전기 절연성이 손상될 수 있다.
두 번째 유형에 있어서, 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 또는 PVDF-HFP와 같은 접착제가 기판 박막의 표면에 세라믹 입자를 접합하는데 사용된다. 더욱이, 상기 박막은 이온 이동(ion migration)을 가능하게 하는 홀들(holes)을 갖는다. 세라믹 입자는 기판 박막 상에 코팅되어 이상 조건에서 전극의 전기 절연성을 보장한다. 그러나, PVDF 또는 PVDF-HFP와 PET, PEN 또는 PI와 같은 기판 박막의 재료 사이의 접착력은 약하고, 세라믹 입자는 쉽게 박리된다. 기판 박막에 대한 입자의 접착력을 증가시키기 위해, 접착제의 비율이 높아야 한다. 그러나, 이온 전도성은 그에 따라 낮아진다.
또한, 이온 전도성을 향상시키기 위해 세라믹 입자의 양을 증가시키는 경우, 충분한 접착력을 유지하기 위해 접착제의 양 또한 증가되어야 한다. 따라서, 세라믹 입자의 비율은 최대 40% 정도로 제한된다. 이온 전도성은 제한된다. 이온 전도성을 높이기 위해, 가소제 또는 비용매가 접착제에 첨가된다. 분리막의 제조 이후, 이온 전도성을 향상시키기 위해 가소제 또는 비용매가 제거되어 이온 이동성을 위한 홀을 형성한다.
또한, 세라믹 입자는 물을 쉽게 흡수할 수 있는데, 이는 배터리 성능을 크게 저하시킨다. 세라믹 입자의 흡수된 물을 제거하기 위해 190℃ 이상의 온도에서 가열시켜야 한다. 그러나, 접착제의 융해점은 충분히 높지 않다. 예를 들어, PVDF의 융해점은 대략 170℃이고 PVDF-HEP의 융해점은 대략 120 내지 150℃이다. 분리판이 190℃로 가열되는 경우, 접착제가 융해될 것이다. 분리판 내의 홀의 분포는 배터리의 전기 특성을 악화시키도록 변화될 것이다. 상기한 바와 같이 가소제 또는 비용매를 첨가하더라도, 홀은 융해된 접착제에 의해 재충진되고 이온 전도성을 낮아지게 할 것이다.
한편, 에폭시 수지, 아크릴산 수지, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)과 같은 높은 내열성을 갖는 접착제의 재료가 사용되는 경우, 열 안정성과 접착성이 개선될 것이다. 그러나, 이들 재료는 조밀한 구조를 갖는 가교 망(cross-linking network)을 형성하여 이온 이동(ion migration)과 최종 배터리 성능을 상당히 감소시킨다. 다시 말해서, 홀의 분포는 이온 이동에 적합하지 않다. 따라서, 이온 전도성이 매우 낮다.
본 발명의 목적은 전기 공급 소자 및 이의 세라믹 분리판을 제공하는 것이다. 세라믹 분리판은 세라믹 미립자와 접착제로 형성된다. 접착제는 선형 고분자(linear polymer) 및 가교 고분자(cross-linking)를 포함하는 이중 바인더 시스템(dual binder system)을 사용한다. 접착성 및 내열성이 이러한 두 종류의 고분자의 특징에 의해 향상된다. 따라서, 접착제는 세라믹 미립자로부터 흡수된 물을 제거하는 과정 동안 융해되지 않고 고압에서 견딜 수 있다. 세라믹 분리판은 갈라지지 않고, 두 개의 전극층 사이의 이온 이동 경로인 홀은 높은 작동 온도에서 유지될 것이다. 또한, 세라믹 분리판은 이온 전도성을 향상시키고, 미세 단락의 가능성을 감소시키고, 실제 활용도를 증가시킨다. 또한, 이중 바인더 시스템에 의해, 세라믹 미립자의 높은 비율이 가능하다. 세라믹 미립자와 이들 위의 이중 바인더 시스템에 의해 형성된 홀의 구조 및 분포는 전기 절연성과 이온 전도성 사이의 좀 더 나은 균형을 촉진하도록 최적화된다. 따라서, 전기 공급 소자의 전기 특성이 개선된다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기 공급 소자 및 이의 세라믹 분리판을 제공하는 것이다. 접착제는 접착성 및 이온 이동 경로의 두 가지 특징을 갖도록 선형 고분자와 가교 고분자를 포함한다. 내열성을 개선시키기 위해 세라믹 미립자의 높은 비율이 달성된다.
상기한 목적을 구현하기 위해, 본 발명은 전기 공급 소자 및 이의 세라믹 분리판을 개시한다. 전기 공급 소자는 제 1 전극 기판, 제 2 전극 기판 및 세라믹 분리판을 포함한다. 제 1 전극 기판은 제 1 집전체층과 제 1 활물질층을 포함하고, 제 2 전극 기판은 제 2 집전체층과 제 2 활물질층을 포함한다. 세라믹 분리판은 제 1 전극 기판과 제 2 전극 기판 사이에 배치된다. 세라믹 분리판은 제 1 집전체층과 제 2 집전체층 사이에 배치되거나, 또는 제 1 활물질층과 제 2 활물질층 사이에 배치된다. 세라믹 분리판은 다수의 세라믹 미립자와 이들 위의 이중 바인더 시스템으로 구성된다. 이중 바인더 시스템은 선형 고분자와 가교 고분자를 포함한다. 세라믹 미립자를 위한 접착성이 개선되어 세라믹 미립자의 높은 비율이 달성된다. 세라믹 분리판은 전기 절연성에 적합하고 이온 이동을 가능하게 하기에 적합하다. 따라서, 구조 강도, 이온 전도성, 전기 절연성 및 내열성이 개선되고 향상된다.
또 다른 실시형태에서, 전기 공급 소자는 기판, 제 1 집전체층, 제 1 활물질층, 및 제 2 집전체층, 제 2 활물질층을 포함한다. 기판은 다수의 세라믹 미립자로 충진된 다수의 홀 및 이들 위의 이중 바인더 시스템을 포함한다. 이중 바인더 시스템은 선형 고분자와 가교 고분자를 포함한다. 제 1 및 제 2 집전체층은 기판의 두 맞은편에 배치되고 기판의 홀에 따른 홀을 구비한다. 활물질층은 각각 집전체층의 외면에 배치된다. 따라서, 기판은 분리판으로서 제공되어 제 1 활물질층과 제 2 활물질층 사이의 이온 이동을 가능하게 한다. 전하는 기판 상에 배치된 집전체층을 통해 출력된다
본 발명의 세라믹 분리판은 전기적으로 그리고 전기화학적으로 비활성이며 다수의 세라믹 미립자 및 이들 위의 이중 바인더 시스템으로 구성된다. 이중 바인더 시스템은 선형 고분자와 가교 고분자를 포함하며, 이중 바인더 시스템은 대략 0.01 내지 대략 60 wt%의 가교 고분자를 포함한다.
가교 고분자는 에폭시 수지, 아크릴산 수지, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 또는 이들의 조합과 같은, 망 구조(network structure)를 갖는 가교 고분자일 수 있다. 가교 고분자는 또한 폴리이미드(polyimide, PI) 및 이들의 유도체와 같은 사다리 구조(ladder structure)를 갖는 가교 고분자일 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가의 범위는 아래에 주어진 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 그러나, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 본 상세한 설명으로부터 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백해질 것이며, 따라서 본 발명의 바람직한 실시형태를 제시하는 동안, 상세한 설명 및 특정 실시예가 설명의 형태로만 주어지는 것으로 이해해야 한다.
본 발명은 설명의 목적으로만 아래에 주어진 상세한 설명으로부터 더욱 완벽하게 이해될 것이며, 따라서 본 발명을 제한하지는 않는다, 여기서:
도 1A 및 도 1B는 본 발명의 전기 공급 소자의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 전기 공급 소자의 다른 실시형태의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 전기 공급 소자의 또 다른 실시형태의 단면도를 도시한다.
도 4A 및 도 4B는 분리막을 더 포함하는 본 발명의 전기 공급 시스템의 단면도를 도시한다.
도 1A 및 도 1B는 본 발명의 전기 공급 소자의 단면도를 도시한다. 전기 공급 소자(3)는 제 1 전극 기판(32), 제 2 전극 기판(33) 및 세라믹 분리판(31)을 포함한다. 제 1 전극 기판(32)은 제 1 집전체층(321)과 제 1 활물질층(322)을 포함한다. 제 1 집전체층(321)은 제 1 표면(323)과 반대편의 제 2 표면(324)을 포함한다. 제 1 활물질층(322)은 제 1 집전체층(321)의 제 1 표면(323) 상에 배치된다. 제 2 전극 기판(33)은 제 2 집전체층(331)과 제2 활물질층(332)을 포함한다. 제 2 집전체층(331)은 제 1 표면(333)과 반대편의 제 2 표면(334)을 포함한다. 제 2 활물질층(332)은 제 2 집전체층(331)의 제 1 표면(333) 상에 배치된다.
세라믹 분리판(31)은 제 1 전극 기판(32)과 제 2 전극 기판(33) 사이에 배치된다. 세라믹 분리판(31)은, 도 1A를 참조하면, 제 1 활물질층(322)과 제 2 활물질층(332) 상에 배치될 수 있고 또는, 도 1B를 참조하면, 제 1 집전체층(321)의 제 2 표면(324)과 제 2 집전체층(331)의 제 2 표면(334) 상에 배치될 수 있다.
세라믹 분리판(31)은 다수의 세라믹 미립자와 이들 위에서 접합을 위한 접착제로 제공된 이중 바인더 시스템으로 구성된다. 이중 바인더 시스템은 선형 고분자와 가교 고분자를 포함한다. 이중 바인더 시스템은 대략 0.01 내지 대략 60 wt%의 가교 고분자를 포함한다. 세라믹 미립자는 나노미터와 마이크로미터의 크기 또는 알킬화(alkylation)된 TiO2, Al2O3, SiO2, 알칼리 토금속 인산염(alkaline earth metal phosphate), 알칼리 금속 인산염(alkaline metal phosphate), 알칼리 토금속 탄산염(alkaline earth metal carbonate), 알칼리 토 탄산염(alkaline earth carbonate) 및 이들의 조합을 포함한다.
세라믹 미립자를 위한 접착성이 개선되어 세라믹 미립자의 높은 비율이 달성된다. 세라믹 분리판은 전기 절연성에 적합하고 이온 이동을 가능하게 하기에 적합하다. 따라서, 구조 강도, 이온 전도성, 전기 절연성 및 내열성이 개선되고 향상된다. 이중 바인더 시스템의 선형 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드 코-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리테트라플루오로에텐(polytetrafluoroethene, PTFE), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 및 이들의 조합일 수 있다.
세라믹 미립자는 세라믹 분리판(31)의 주재료이며, 따라서 세라믹 분리판(31)의 구조 강도는 제 1 전극 기판(32) 및/또는 제 2 전극 기판(33)을 지지할 만큼 충분히 높다. 세라믹 분리판(31)은 전기적으로 그리고 전기화학적으로 비활성이다. 또한, 세라믹 분리판(31)은 제 1 전극 기판(32)과 제 2 전극 기판(33)을 전기적으로 분리하도록 전기 절연성이다. 또한, 접착제는 선형 고분자와 가교 고분자를 포함하는 이중 바인더 시스템을 사용한다. 가교 고분자는 높은 접착 강도를 갖는다. 선형 고분자와의 협력으로, 접착제 구조의 강성은 구조가 쉽게 파손되는 것을 방지하도록 그렇게 높지 않다. 따라서, 제 1 전극 기판(32)과 제 2 전극 기판(33)은 전기 공급 소자(3)의 안정성과 안전성을 달성하도록 단단히 접합된다.
또한, 이중 바인더 시스템에 의해, 60% 이상 또는 심지어 90% 이상의 세라믹 미립자의 높은 비율이 달성된다. 열 안정성 및 내열성이 향상된다. 또한 세라믹 미립자의 포장에 의해 형성된 홀의 구조 및 분포가 최적화된다. 접착제의 비율이 낮기 때문에 이온 이동을 차단하는 장벽(barrier)이 감소된다. 따라서, 이온 전동성이 개선된다.
이중 바인더 시스템의 가교 고분자는 에폭시 수지, 아크릴산 수지, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 및 이들의 조합과 같은, 망 구조를 갖는 가교 고분자일 수 있다. 이들 자체의 망 가교 구조(network cross-linking structure)는 조밀한 구조이다. 선형 고분자와의 협력으로도, 홀의 분포는 이온 이동에 적합하지 않다. 또한 고체 장벽의 양/부피가 그에 따라 증가될 수 있다. 따라서, 이러한 구조의 이온 전도성은 종래의 분리판(막)의 이온 전도성보다 다소 작다. 그러나, 거대한 홀의 존재의 가능성과 양이 감소되고, 전기 절연성이 개선된다.
따라서, 이중 바인더 시스템의 가교 고분자는 폴리이미드(PI) 및 이들의 유도체와 같은 사다리 구조를 갖는 가교 고분자일 수 있다. 선형 고분자와의 협력으로, 세라믹 분리판(31)의 홀의 분포는 이온 이동을 위해 매우 양호하다. 그리고 고체 장벽의 양/부피가 그에 따라 매우 감소될 수 있다. 홀의 분포는 접착제로서 선형 고분자만을 사용한 분리판에 비해 심지어 더 양호하다. 따라서, 이러한 구조의 이온 전도성은 종래의 분리판(막)의 이온 전도성보다 양호하다. 또한, PI와 같은 사다리 가교 고분자는 전기적 비활성과 이온 전도성의 좀 더 나은 균형을 촉진하도록 전기적으로 불활성인 물질이다.
한편, 세라믹 분리판(31)은 전극층 위에 형성된다. 경화 과정 이후, 용매의 제거에 의해 형성되는 계면 상에 존재하는 거대한 홀의 가능성이 가교 고분자 구조로 인해 감소된다. 전기 절연성이 유지되고 미세 단락의 가능성이 감소된다. 또한, 가교 고분자 구조는 세라믹 미립자의 표면에서 흡수된 물을 제거하는 과정 동안 융해되지 않고 고압에서 견딜 수 있는 높은 열 안정성을 갖는다. 가교 고분자 구조는 또한 충전 또는 방전 과정 동안 발생된 열에 견딜 수 있고 따라서 제 1 전극 기판(32)과 제 2 전극 기판(33)의 각각의 위치를 유지시키고, 전기 공급 소자(3)의 안정성, 안전성, 및 배터리 성능을 향상시킨다.
도 1B를 참조하면, 제 1 전극 기판(32)과 제 2 전극 기판(33) 사이에 이온 이동을 가능하게 하기 위해, 제 1 집전체층(321)은 다수의 홀(3213)을 갖고 제 2 집전체층(331)은 다수의 홀(3313)을 갖는다. 전해질은 제 1 활물질층(322)과 제 2 활물질층(332)에 함침된다. 전해질은 고체 전해질, 액체 전해질, 또는 젤 전해질이다. 또한, 세라믹 재료의 습윤성이 좋기 때문에, 전해질의 분포가 매우 양호하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에서, 세라믹 분리판(31)은 도 1B와 비교해서, 기판(20)으로 대체된다. 기판(20)은 제 1 집전체층(321)과 제 2 집전체층(331)의 홀(3213, 3313)에 따른 다수의 홀(21)을 포함한다. 제 1 집전체층(321), 기판(20) 및 제 2 집전체층(331)이 홀(3213, 21 및 3313)을 갖기 때문에, 전해질은 이들 내부로 쉽게 함침된다.
기판(20)은 유연한 회로 기판 또는 단단한 회로 기판이다. 도 2를 참조하면, 제 1 집전체층(321)과 제 2 집전체층(331)은 기판(20) 상에 배치된다. 따라서, 기판(20)에서 연장된 논리 회로 영역이 형성되어 외부 회로/부하에 직접 전기를 출력할 수 있다. 기판(20)의 재료는 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 유리 섬유(glass fiber), 고분자 액정(liquid crystal polymer), 또는 이들의 조합을 포함하는 절연 재료이다. 기판(20)은 이온 이동을 가능하게 하도록 홀(21)을 갖는다. 홀(21)은 관통 구멍, 개미 구멍(비-관통 구멍), 또는 다공성 물질로 형성되며 다수의 세라믹 미립자 및 이들 위에서 접합을 위한 접착제로 제공된 이중 바인더 시스템으로 충진된다. 이중 바인더 시스템은 또한 선형 고분자와 가교 고분자를 포함한다. 상기한 바와 같이, 전기 공급 소자(3)의 이온 전도성이 개선된다.
도 3을 참조하면, 분리막(41)이 세라믹 분리판(31)의 일면에 배치된다. 분리막(41)의 재료는 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 유리 섬유, 고분자 액정, 또는 이들의 조합을 포함하는 절연 재료이다. 또한, 도 4A를 참조하면, 분리막(41)은 적어도 하나의 전기 구성요소(42)를 그 위에 구비하기 위해 세라믹 분리판(31)의 외부로 연장된다. 또한, 도 4B를 참조하면, 또 다른 세라믹 분리판(31')이 분리막(41)의 타면에 배치될 수 있다.
전기 공급 소자(3)의 상기한 실시형태에서, 기존의 모든 패키지 방법이 포장을 위해 사용될 수 있다.
상기한 본 발명은 다양한 방식으로 변경될 수 있음은 명백하다. 이러한 변경은 본 발명의 사상과 범위를 벗어나는 것으로 간주되지 않아야 하고, 이러한 모든 수정은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백해지는 바와 같이 다음의 청구범위의 범주 내에 포함된다.
3: 전기 공급 소자 31, 31': 세라믹 분리판
32: 제 1 전극 기판 33: 제 2 전극 기판
20: 기판 3213, 21, 3313: 홀
321: 제 1 집전체층 322: 제 1 활물질층
323, 333: 제 1 표면 331: 제 2 집전체층
332: 제2 활물질층 324, 334: 제 2 표면
41: 분리막 42: 전기 구성요소

Claims (26)

  1. 제 1 집전체층과 제 1 활물질층을 포함하는 제 1 전극 기판, 여기서 상기 제 1 집전체층은 서로 마주하는 제 1 표면과 제 2 표면을 포함하고, 상기 제 1 활물질층은 상기 제 1 집전체층의 제 1 표면에 배치되고;
    제 2 집전체층과 제 2 활물질층을 포함하는 제 2 전극 기판, 여기서 상기 제 2 집전체층은 서로 마주하는 제 1 표면과 제 2 표면을 포함하고, 상기 제 2 활물질층은 상기 제 2 집전체층의 제 1 표면에 배치되고; 및
    상기 제 1 전극 기판과 제 2 전극 기판 사이에 배치되고 다수의 세라믹 미립자와 이들 위의 이중 바인더 시스템으로 구성된 세라믹 분리판을 포함하고, 여기서 상기 이중 바인더 시스템은 선형 고분자(linear polymer) 및 가교 고분자(cross-linking)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 미립자는 나노미터와 마이크로미터의 크기 또는 알킬화(alkylation)된 TiO2, Al2O3, SiO2, 알칼리 토금속 인산염, 알칼리 금속 인산염, 알칼리 토금속 탄산염, 알칼리 토 탄산염 및 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템의 선형 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드 코-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리테트라플루오로에텐(polytetrafluoroethene, PTFE), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템의 가교 고분자는 에폭시 수지, 아크릴산 수지, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된, 망 구조(network structure)를 갖는 가교 고분자인 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템의 가교 고분자는 폴리이미드(polyimide, PI) 및 이들의 유도체를 포함하는, 사다리 구조(ladder structure)를 갖는 사다리 가교 고분자인 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템은 대략 0.01 내지 대략 60 wt%의 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 분리판은 제 1 전극 기판의 제 1 집전체층의 제 2 표면과 제 2 전극 기판의 제 2 집전체층의 제 2 표면에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 집전체층과 제 2 집전체층은 상기 제 1 활물질층과 제 2 활물질층 사이에서 이온 이동을 가능하게 하기 위해 다수의 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 분리판은 제 1 전극 기판의 제 1 활물질층과 제 2 전극 기판의 제 2 활물질층에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 분리판에 배치되는 분리막(separator film)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 분리막은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 유리 섬유(glass fiber), 및 고분자 액정(liquid crystal polymer)을 포함하는 절연 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 분리막은 적어도 하나의 전기 구성요소를 그 위에 구비하기 위해 세라믹 분리판의 외부로 연장되는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 분리막의 또 다른 면에 배치된 또 다른 세라믹 분리판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  14. 다수의 세라믹 미립자 및 이들 위의 이중 바인더 시스템으로 충진된 다수의 홀을 포함하는 기판, 여기서 상기 이중 바인더 시스템은 선형 고분자와 가교 고분자를 포함하고;
    상기 기판의 일면에 배치되고 상기 기판의 홀에 따른 다수의 홀을 구비하는 제 1 집전체층;
    상기 기판의 반대면에 배치되고 상기 기판의 홀에 따른 다수의 홀을 구비하는 제 2 집전체층;
    상기 제 1 집전체층 위에 배치된 제 1 활물질층; 및
    상기 제 2 집전체층 위에 배치된 제 2 활물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 유리 섬유, 및 고분자 액정을 포함하는 절연 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판의 홀은 관통 구멍, 개미 구멍, 또는 다공성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 세라믹 미립자는 나노미터와 마이크로미터의 크기 또는 알킬화된 TiO2, Al2O3, SiO2, 알칼리 토금속 인산염, 알칼리 금속 인산염, 알칼리 토금속 탄산염, 알칼리 토 탄산염 및 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템의 선형 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드 코-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리테트라플루오로에텐(polytetrafluoroethene, PTFE), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템의 가교 고분자는 에폭시 수지, 아크릴산 수지, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된, 망 구조를 갖는 가교 고분자인 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템의 가교 고분자는 폴리이미드(PI) 및 이들의 유도체를 포함하는, 사다리 구조를 갖는 가교 고분자인 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템은 대략 0.01 내지 대략 60 wt%의 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 공급 소자.
  22. 전기적으로 그리고 전기화학적으로 비활성인 세라믹 분리판에 있어서, 상기 세라믹 분리판은 다수의 세라믹 미립자 및 이들 위의 이중 바인더 시스템으로 구성되고, 여기서 상기 이중 바인더 시스템은 선형 고분자와 가교 고분자를 포함하며, 상기 이중 바인더 시스템은 대략 0.01 내지 대략 60 wt%의 가교 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리판.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 세라믹 미립자는 나노미터와 마이크로미터의 크기 또는 알킬화된 TiO2, Al2O3, SiO2, 알칼리 토금속 인산염, 알칼리 금속 인산염, 알칼리 토금속 탄산염, 알칼리 토 탄산염 및 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리판.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템의 선형 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드 코-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리테트라플루오로에텐(polytetrafluoroethene, PTFE), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리판.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템의 가교 고분자는 에폭시 수지, 아크릴산 수지, 폴리아크릴로니트릴 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된, 망 구조를 갖는 가교 고분자인 것을 특징으로 하는 세라믹 분리판.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 이중 바인더 시스템의 가교 고분자는 폴리이미드 및 이들의 유도체를 포함하는, 사다리 구조를 갖는 가교 고분자인 것을 특징으로 하는 세라믹 분리판.
KR20130002925A 2012-01-20 2013-01-10 전기 공급 소자 및 이의 세라믹 분리판 KR101493584B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW101102560 2012-01-20
TW101102560A TWI560928B (en) 2012-01-20 2012-01-20 Electricity supply system and ceramic separator thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130085964A true KR20130085964A (ko) 2013-07-30
KR101493584B1 KR101493584B1 (ko) 2015-02-13

Family

ID=47563236

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20130002925A KR101493584B1 (ko) 2012-01-20 2013-01-10 전기 공급 소자 및 이의 세라믹 분리판

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP2618402B1 (ko)
JP (1) JP6037507B2 (ko)
KR (1) KR101493584B1 (ko)
TW (1) TWI560928B (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160140863A (ko) * 2014-03-31 2016-12-07 엑스 디벨롭먼트 엘엘씨 고상 배터리들을 위한 상호 접속의 형성

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014103791A1 (ja) * 2012-12-27 2014-07-03 日本ゼオン株式会社 二次電池セパレーターの多孔膜用スラリー、二次電池セパレーター用多孔膜及びその製造方法、二次電池用セパレーター並びに二次電池
WO2014103792A1 (ja) * 2012-12-27 2014-07-03 日本ゼオン株式会社 二次電池セパレーターの多孔膜用スラリー、二次電池セパレーター用多孔膜及びその製造方法、二次電池用セパレーター並びに二次電池
NL2011422C2 (en) * 2013-09-11 2015-03-16 Exergy Holding B V Electrolytic seperator, manufacturing method and system.
CN104681762B (zh) * 2013-10-22 2017-05-17 万向一二三股份公司 一种锂离子电池复合隔膜的制备方法
CN104064712B (zh) * 2014-07-10 2016-01-13 厦门大学 一种锂离子电池陶瓷隔膜粘结剂的选择方法
KR101940166B1 (ko) 2016-04-14 2019-01-18 삼성에스디아이 주식회사 다공성 내열층 조성물, 다공성 내열층을 포함하는 분리막, 및 상기 분리막을 이용한 전기 화학 전지
KR20180040334A (ko) 2016-10-12 2018-04-20 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
CN109585904B (zh) * 2017-09-29 2021-11-23 辉能科技股份有限公司 可挠式锂电池
CN110518177B (zh) * 2019-07-15 2022-05-06 青岛大学 SiO2/PVDF-HFP复合纤维膜及其制备方法和应用
TWI719683B (zh) * 2019-10-22 2021-02-21 輝能科技股份有限公司 陶瓷隔離層

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5208121A (en) 1991-06-18 1993-05-04 Wisconsin Alumni Research Foundation Battery utilizing ceramic membranes
DE19850826A1 (de) * 1998-11-04 2000-05-11 Basf Ag Als Separatoren in elektrochemischen Zellen geeignete Verbundkörper
JP2005285377A (ja) 2004-03-26 2005-10-13 Shirouma Science Co Ltd ポリシロキサンおよびポリオレフィン複合ゲル電解質およびそれを用いたリチウム電池
DE102004018930A1 (de) 2004-04-20 2005-11-17 Degussa Ag Verwendung eines keramischen Separators in Lithium-Ionenbatterien, die einen Elektrolyten aufweisen, der ionische Flüssigkeiten enthält
JP4184404B2 (ja) * 2005-12-08 2008-11-19 日立マクセル株式会社 電気化学素子用セパレータおよび電気化学素子
CN101207222B (zh) * 2006-12-22 2011-03-16 辉能科技股份有限公司 电能供应系统
KR100727248B1 (ko) * 2007-02-05 2007-06-11 주식회사 엘지화학 다공성 활성층이 코팅된 유기/무기 복합 분리막 및 이를구비한 전기화학소자
KR101002161B1 (ko) * 2007-11-29 2010-12-17 주식회사 엘지화학 다공성 코팅층이 형성된 세퍼레이터, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자
KR20090108317A (ko) * 2008-04-11 2009-10-15 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지 및 그의 제조 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160140863A (ko) * 2014-03-31 2016-12-07 엑스 디벨롭먼트 엘엘씨 고상 배터리들을 위한 상호 접속의 형성

Also Published As

Publication number Publication date
TWI560928B (en) 2016-12-01
EP2618402A1 (en) 2013-07-24
JP2013149614A (ja) 2013-08-01
TW201332193A (zh) 2013-08-01
EP2618402B1 (en) 2016-10-19
JP6037507B2 (ja) 2016-12-07
KR101493584B1 (ko) 2015-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101493584B1 (ko) 전기 공급 소자 및 이의 세라믹 분리판
US9231239B2 (en) Electricity supply element and ceramic separator thereof
CN107452928B (zh) 电能供应系统及其陶瓷隔离层
KR102151509B1 (ko) 비수계 이차전지용 세퍼레이터 및 비수계 이차전지
US7964311B2 (en) Lithium ion secondary battery
KR101032443B1 (ko) 전자 부품용 세퍼레이터 및 그 제조 방법
JP2006310295A (ja) リチウム二次電池｛Ｌｉｔｈｉｕｍｓｅｃｏｎｄａｒｙｂａｔｔｅｒｙ｝
KR20080103847A (ko) 전극조립체 및 그를 이용한 이차전지
US11201376B2 (en) Multilayer ceramic solid electrolyte separator with plastic reinforcement for increasing the fracture stability and reducing short circuits in electric batteries
CN206619633U (zh) 高穿透粘结型锂电池隔膜
TWI469426B (zh) 電能供應系統及其電能供應單元
KR20110053662A (ko) 리튬 이차전지용 분리막 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
JP5665209B1 (ja) 膜電極接合体及びその製造方法、並びに固体高分子形燃料電池
CN113794035A (zh) 一种锂离子电池隔膜及其锂离子电池
KR102238664B1 (ko) 그래핀을 포함하는 2차원소재 코팅 조성물과 이를 이용한 이차전지 분리막 및 그 제조방법
JPWO2017018436A1 (ja) リチウムイオン二次電池
US9570728B2 (en) Electricity supply element and ceramic separator thereof
CA3076705C (en) Flexible battery
KR101882437B1 (ko) 공압출 분리막을 채택한 전지
KR101706364B1 (ko) 이차전지용 세퍼레이터
CN206774611U (zh) 高寿命安全型锂电池隔膜
US20220255116A1 (en) Thermally responsive solid state composite electrolyte separator
TWI664253B (zh) 可撓電池
CN114142173A (zh) 一种具有一体化结构的芳纶涂覆锂电池隔膜
CN101304081A (zh) 电能元件、隔离层及其制造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180202

Year of fee payment: 6