KR20130103106A - Separator structure used in electrochemical device - Google Patents
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Abstract
Description
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 전기화학 소자용 분리막 구조에 관한 것으로, 특히 기공성을 갖도록 섬유로부터 형성된 웹 형태의 접착층을 이용하는 전기화학 소자용 분리막 구조에 관한 것이다.The present disclosure relates generally to a separator structure for electrochemical devices, and more particularly to a separator structure for an electrochemical device using a web-like adhesive layer formed from fibers to have porosity.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).Herein, the background art relating to the present disclosure is provided, and these are not necessarily meant to be known arts.
리튬 이차전지와 같은 전기화학 소자에 이용될 수 있는 분리막에는 분리막의 기본 기능과 함께, 폐쇄 기능(shut-down function)을 지니면서도, 높은 단락 온도(short circuit temperature)를 지닐 것이 요구된다. 즉, 분리막은 전지의 양극과 음극 사이에 위치하여 절연을 시키며, 전해액을 유지시켜 이온전도의 통로를 제공하고, 전지의 온도가 지나치게 높아지면 전류를 차단하기 위하여 분리막의 일부가 용융되어 기공을 막는 폐쇄 기능을 갖고 있다. 온도가 더 올라가 분리막이 용융되면 큰 홀이 생겨 양극과 음극 사이에 단락이 발생된다. 이 온도를 단락 온도라 하는데, 일반적으로 분리막은 낮은 폐쇄 온도와 보다 높은 단락 온도를 가져야 한다. 폴리에틸렌 분리막의 경우 전지의 이상 발열시 150℃ 이상에서 열수축하여 전극 부위가 드러나게 되어 단락이 유발될 가능성이 있다. 그러므로, 고에너지 밀도화, 대형화 이차전지를 위하여 폐쇄 기능과 내열성을 모두 갖는 것이 매우 중요하다. 즉, 내열성이 우수하여 열수축이 작고, 높은 이온전도도에 따른 우수한 싸이클 성능을 갖는 분리막이 필요하며, 이를 위해, 이 분리막에 높은 융점을 가지는 내열성 물질을 도포 또는 적층한 분리막 구조가 제안되고 있다.A separator which can be used in an electrochemical device such as a lithium secondary battery is required to have a high short-circuit temperature while having a shut-down function together with a basic function of a separator. That is, the separator is disposed between the anode and the cathode of the battery to provide insulation, maintains the electrolyte to provide a path for ion conduction, and when the temperature of the battery becomes excessively high, a part of the separator melts to block the current, And has a closing function. When the temperature rises further and the separator melts, a large hole is formed and a short circuit occurs between the anode and the cathode. This temperature is referred to as the short-circuit temperature. In general, the separator should have a lower closure temperature and a higher short-circuit temperature. In the case of the polyethylene separator, when the battery is abnormally heated, the electrode shrinks due to heat shrinkage at 150 ° C or higher, which may cause a short circuit. Therefore, it is very important to have both a closing function and a heat resistance for a high energy density, large-sized secondary battery. That is, a separator having excellent heat resistance and small heat shrinkage and excellent cycle performance according to high ion conductivity is required. To this end, a separator structure having a high melting point applied or laminated on the separator has been proposed.
미국공개특허공보 제2010-0304205호에는 분리막에 융점이 180℃ 이상이거나 융점이 없는 고분자 수지로 된 내열성 보호층을 전기방사하여 적층한 분리막 구조가 제시되어 있다. 그러나, 이와 같이 제작된 분리막 구조는 실제 전지 조립 공정에 사용되기 위한 물리적 강도가 부족한 문제점을 안고 있어 산업화에 어려움이 있다.U.S. Patent Publication No. 2010-0304205 discloses a separator structure in which a heat resistant protective layer made of a polymer resin having a melting point of 180 ° C or higher or a melting point is electrospun laminated on a separator. However, the separator structure thus fabricated has a problem of insufficient physical strength to be used in an actual cell assembly process, which is difficult to industrialize.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described later in the Specification for Implementation of the Invention.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).SUMMARY OF THE INVENTION Herein, a general summary of the present disclosure is provided, which should not be construed as limiting the scope of the present disclosure. of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 전기화학 소자용 분리막 구조에 있어서, 제1 융점을 가지는 분리막; 분리막의 적어도 일 측에 위치되며, 제1 융점에서 녹지 않은 내열성 보호층; 그리고, 분리막과 내열성 보호층을 결합하며, 기공을 갖도록 섬유로 된 웹 형태의 접착층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조가 제공된다.According to one aspect of the present disclosure, there is provided a separator structure for an electrochemical device, comprising: a separator having a first melting point; A heat resistant protective layer located on at least one side of the separator and not soluble at the first melting point; A separator structure for an electrochemical device is provided, which comprises a web-shaped adhesive layer that combines the separator and the heat-resistant protective layer and has pores so as to have fibers.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described later in the Specification for Implementation of the Invention.
도 1은 본 개시에 따른 분리막 구조의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 본 개시에 사용될 수 있는 전기방사 장치의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 두께, 통기도, 열수축율, 접착력, 핫박스의 측정 결과를 나타내는 표,
도 4는 전지 성능평가를 나타내는 도면,
도 5는 분리막에 전기방사된 접착층의 표면을 나타내는 SEM 사진,
도 6은 내열성 보호층의 표면을 나타내는 SEM 사진,
도 7은 열가압처리된 분리막 구조의 표면을 나타내는 SEM 사진,
도 8은 열수축 후의 실시예1(A), 실시예2(B), 비교예1(C) 및 비교예2(D)를 나타내는 사진.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a diagram showing an example of a membrane structure according to the present disclosure,
2 is a diagram showing an example of an electrospinning apparatus that can be used in the present disclosure,
3 is a table showing the results of measurement of thickness, air permeability, heat shrinkage, adhesion, hot box,
4 is a view showing a battery performance evaluation,
5 is a SEM photograph showing the surface of the adhesive layer electrospun to the separation membrane,
6 is a SEM photograph showing the surface of the heat resistant protective layer,
7 is a SEM photograph showing the surface of the heat-treated separator structure,
8 is a photograph showing Example 1 (A), Example 2 (B), Comparative Example 1 (C) and Comparative Example 2 (D) after heat shrinkage.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)). The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing (s).
도 1은 본 개시에 따른 분리막 구조의 일 예를 나타내는 도면으로서, 분리막 구조는 분리막(10), 분리막(10)의 양측에 위치하는 내열성 보호층(20,20) 그리고 분리막(10)과 내열성 보호층(20,20)의 결합력을 향상시키는 동시에, 기공성을 갖도록 섬유로부터 형성된 웹 형태의 접착층(30,30)을 포함한다. 예를 들어, 이러한 섬유는 전기방사(electrospinning) 또는 전기분사(electrospaying)에 의해 제조될 수 있다. 전기방사 공정은 멜트브로우 방사(Meltblow-spinning) 공정, Force-spinning 공정, 그리고 이들 공정에 송풍시스템(blowing system), 고전계 시스템이 추가된 공정 등을 포함하는 광의의 전기방사 공정으로 이해되어야 한다. 멜트브로우 방사는 원료 고분자를 가열-용융하고, 방사노즐로부터 공기 중에 압출하여 냉각하면서 섬유를 형성하는 전통적 방식의 용융방사공정에 고온 고압 공기를 불어주면서 섬유를 제조하는 공정이다. Force-spinning 공정은 고분자용액을 회전하는 방사노즐(스핀코팅) 상에 적하하여 원심력을 이용하여 고분자를 밖으로 분출하여 섬유를 제조하는 방법이다. 이 시스템의 주요부품은 방사구, 수집기, 환경 조정실, 제어시스템, 모터 그리고 브레이크이다. 다중 방사구에는 공동 내 고분자가 연속 공급되고 용액이나 용융물은 원심력에 의해 구멍(orifice)을 통해 분출되어 나노섬유로 된다. 용액, 용융상 물질 모두 사용가능한 장점이 있다. 1 is a view showing an example of a separation membrane structure according to the present disclosure. The separation membrane structure includes a
도 2는 본 개시에 사용될 수 있는 전기방사 장치의 일 예를 나타내는 도면으로서, 전기방사 장치(40)는 용융 상태의 섬유 원료용 고분자 물질을 공급하기 위한 공급 유니트(110)와, 공급 유니트(110)로부터 공급된 고분자 용액을 하전된 필라멘트 또는 섬유 형태로 토출시키기 위한 복수의 방사노즐들(122)을 구비하는 방사 유니트(120)와, 방사 유니트(120)로부터 방사된 필라멘트를 소정 두께로 누적시키기 위해 방사노즐들(122)과 소정 간격 이격 배치된 컬렉터(130)와, 방사 유니트(120)의 적어도 양측에 설치된 제어 유니트(140)와, 필라멘트 스트림을 둘러싸도록 제어 유니트(140)와 컬렉터(130) 사이에 설치된 유도 유니트(150)와, 방사 유니트(120)와 컬렉터(130) 사이의 공간으로 공기를 주입하고, 이 공간 내의 용매를 증발시켜 외부로 배출시키기 위한 공조 유니트(160)를 구비한다. 공급 유니트(110)는 섬유 원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액이 저장되는 저장 용기(112)와, 저장 용기(112)에 저장된 용액을 가압하여 방사 유니트(120)측으로 정량 공급하기 위한 펌프(114) 및 용액을 각각의 노즐들로 분배하기 위한 분배기(116) 및 이송관(118)을 구비한다. 방사 유니트(120)는 공급 유니트(110)로부터 공급되는 섬유 원료 용액을 하전시킨 상태에서 미세 필라멘트 형태로 컬렉터(130) 방향으로 방사하는 기능을 수행한다. 방사 유니트(120)는 복수의 방사노즐들(122)이 배치된 적어도 하나 이상의 방사노즐팩(126)을 구비한다. 방사노즐팩(126)을 구성하는 방사노즐들(122)의 개수 또는 방사 유니트(120)를 구성하는 방사노즐팩(126)의 개수는 제조될 웹의 사이즈나 두께, 생산속도 등을 종합적으로 고려하여 결정된다. 여러 고분자 물질이 방사될 경우에, 별도의 방사노즐팩이 구비될 수 있다. 컬렉터(130)는 방사 유니트(120)에 인가되는 전압에 대하여 전위차를 갖도록 접지되거나, 혹은 음극성(-)의 전압으로 인가될 수 있다. 컬렉터(130)는 방사 유니트(120)로부터 토출된 하전 필라멘트를 집적하기 위한 것으로서, 예컨대, 롤러(132)와 같은 이송수단을 통해 컨베이어 벨트 방식으로 연속적으로 이동되도록 구성할 수 있다. 제어 유니트(140)는 각각의 방사노즐들(122)로부터 방사되는 필라멘트 스트림이 서로 반발하여 퍼지는 것과 같이 경로를 벗어나는 경우를 방지하기 위한 것이며, 제어 유니트(140)는 방사노즐팩(126)의 적어도 길이 방향의 양측에 설치된다. 유도 유니트(150)는 제어 유니트(140)와 동일한 극성의 전압이 인가된다. 유도 유니트(150)는 연신되는 하전 필라멘트 스트림의 둘레에 설치되어 스트림의 진행 방향을 가이드하기 위한 것이다. 유도 유니트(150)는 도체판 혹은 도체봉의 형태로 마련된다. 유도 유니트(150)는 하전 필라멘트와 동일 극성으로 대전됨으로써 컬렉터(130) 상면의 제한된 영역에 필라멘트가 집적되도록 유도한다. 공조 유니트(160)는 방사 유니트(120)와 컬렉터(130) 사이의 공간에서 하전 필라멘트에 용해되어 있는 용매를 휘발시켜 외부로 배기시키기 위한 것으로서, 예를 들어, 흡입팬, 배기팬과 같은 용매 흡,배기 수단과 다수의 공기유입슬롯(162)을 구비한다. 양극성(+) 전압은 고전압 유니트(170)의 출력 전압에 의해 여기된다. 고전압 유니트(170)는 10kV 내지 120kV 범위의 직류 전압을 출력한다. 공급 유니트(110)에 저장된 원료 용액이 펌프(114)와 분배기(116)를 통해 방사 유니트(120)로 정량 공급되면, 방사 유니트(120)의 각각의 방사노즐팩(126) 내부의 통전부를 통해 용액이 하전 된다. 이어서, 하전 상태의 용액은 방사노즐(122)의 캐피러리 튜브를 통과하면서 미세 필라멘트 형태로 컬렉터(130) 측으로 토출된다. 여기서, 컬렉터(130)와 하전 필라멘트 간에 형성되는 강력한 전기장에 의해 필라멘트는 나노급의 직경이 되도록 연신되면서 방사된다. 이러한 방사과정에 있어서, 필라멘트간의 반발력으로 인해 진행 경로를 벗어나 외곽으로 퍼지려는 스트림은 제어 유니트(140)에 의해 원위치로 돌아가게 되고 올바른 진행 경로를 유지할 수 있게 된다. 한편, 컬렉터(130) 상측에는 토출되는 스트림을 둘러싸도록 유도 유니트(150)가 설치되어 있으므로, 유도 유니트(150)에 의해 경로를 벗어나려고 하는 스트림은 컬렉터(130) 상의 제한된 집적 영역에 유도된다. 상기와 같이 유도된 필라멘트들은 컨베이어 벨트 혹은 회전드럼 형태의 컬렉터(130) 상에 연속적으로 집적되거나, 아니면, 롤러(180)에 의해 이송되는 필름, 모조지, 부직포와 같은 기재(182)의 상면에 집적되어 나노섬유로 이루어지는 웹상의 다공막으로 제조된다. 이러한 전기방사 장치의 일 예가 미국 등록특허공보 제7,351,052호에 제시되어 있다.2 shows an example of an electrospinning apparatus that can be used in the present disclosure. The
분리막(10)은 주로 폴리올레핀계 기재(base film)를 사용한다. 폴리올레핀계 기재는 종래 분리막으로 많이 사용되는 것으로, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐 등을 들 수 있으며, 이들의 공중합체 또는 혼합물(블랜딩) 등과 같은 올레핀계 소재로 제조한 다공성 분리막을 사용할 수 있다. 또한 전술한 분리막을 단독으로 또는 적층하여서도 사용 가능하다. 두께가 1 내지 50 ㎛이고, 기공 크기가 0.001 내지 300 ㎛이며, 기공도가 10 내지 95 %인 분리막(10)이 주로 사용된다.The
내열성 보호층(20)은 종래의 다양한 방법에 의해 제조될 수 있지만, 후술할 전기방사된 섬유로부터 형성된 웹 형태의 접착층(30)을 고려하여, 전기방사법으로 형성되는 것이 바람직하다. 전기방사에 적합한 내열성 보호층(20)으로서, 유기용매에 용해될 수 있고 녹는점이 180℃ 이상이거나 녹는점이 존재하지 않는 고분자 수지로서, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리이써케톤, 폴리페닐레옥사이드, 폴리페닐렌설폰, 폴리설폰, 폴리이써설폰, 폴리이미드, 폴리이써이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리벤지이미다졸, 폴리벤조옥사졸, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아마이드) Poly(meta-phenylene isophthalamide), 폴리디페녹시포스파젠, 폴리포스파젠 및 후술할 접착층(30)용 부착성 및 팽윤성 고분자 수지 등을 사용할 수 있다. 내열성 보호층(20)의 두께는 1~30㎛, 단위면적당 무게는 0.05~20 g/㎡이 바람직하다. 두께가 너무 두꺼워지면 이온이동거리가 멀어져 전지 성능이 떨어지고, 고밀도, 고집적설계에도 불리해지며, 두께가 너무 얇아지면 초극세섬유 막의 기능을 발휘하지 못하며 내열성 효과도 줄어든다. The heat-resistant
접착층(30)은 전기방사에 의해 섬유로부터 형성된 웹 형태로 형성되며, 계면간 부착력을 증대시킨다. 접착층(30)을 도입함으로써, 분리막(10)과 내열성 보호층(20)을 접합시키는 과정에서 가해지는 열과 압력을 가혹하게 설정하지 않더라도 부착력을 발휘할 수 있어 열에 약한 폴리올레핀과 같은 재질로 된 분리막(10)의 기공이 막히는 것을 억제할 수 있으며, 분리막(10)과 내열성 보호층(20) 사이의 접착력을 향상시켜줌으로써 권취 공정 및 전지 조립 공정에서 층간 박리현상을 억제하여 공정 효율을 높일 수 있게 된다. 또한 전기방사에 의해 섬유로부터 형성된 웹 형태로 접착층(30)을 형성함으로써, 다공성 모폴로지 구조와 전해질에 함침시 겔화되는 특성으로 전해액 함침 속도 및 함유능, 젖음성(wettability)이 향상되므로 이온전도도를 높이고 결국 전지 성능 향상으로 나타난다. 접착층(30)의 재질로는 전기방사에 의하여 섬유로 형성하는 것이 가능한 것으로 부착성과 팽윤성이 좋은 고분자 수지가 적합하며, 예를 들어, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌) Poly(vinylidene fluoride)-co-(hexafluoropropylene), P(VdF-HFP), 폴리(비닐리덴플루오라이드-클로로트리플로로에틸렌) Poly(vinylidene fluoride)-co-(chlorotrifluoroethylene), P(VdF-CTFE) 공중합체, 폴리메틸렌옥사이드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴아마이드, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐피로리돈, 폴리우레탄 및 이들의 2종 이상 혼합물로도 사용할 수 있다. 접착층(30)은 분리막(10)에 직접 전기방사되거나, 내열성 보호층(20)에 직접 전기방사될 수 있다. 이때 용액의 농도와 용제조성비, 토출량, 전기방사 챔버내 온.습도 등을 조절하여 기재 위에 부착성이 자체적으로 부여되도록 한다. 일반적으로 전기방사에서 제조된 초극세섬유 웹은 기재에 집적될 때 이미 고형화된 섬유상으로 상변이가 진행되어 자체적으로 기재 위에 부착성이 떨어지기 때문에 기재에 집적되기 전까지 건조도를 조절하여 표면 점착이 유지되게 집적되도록 한다. 이와 같은 조건은 사용되어지는 원료에 따라 변하게 되어 특정 조건에 국한되어 정해지지 않는다. 접착층(30)의 두께는 0.1~30㎛, 단위면적당 무게는 0.05~20.0g/㎡이 바람직하다. 두께가 너무 두꺼워지면 미건조된 용제에 의해 섬유들이 녹아 필름형 막으로 진행되어 기공도에 나쁜 영향을 미치고, 두께가 너무 얇아지면 분리막(10)과 내열성 보호층(20)에 접착력을 부여하기 어려워진다.The
전기방사를 이용해 내열성 보호층(20)을 형성하는 경우에, 내열성 보호층(20)은 필름, 부직포, 모조지와 같은 기재에 전기방사를 통해 집적한 후 박리함으로써 얻을 수 있다. 또한 내열성 보호층(20)은 접착층(30)이 형성된 분리막(10)에 직접 전기방사함으로써 얻을 수 있다. 이때, 분리막(10)을 컬렉터(130)와 함께 이송시키거나, 컬렉터(130)의 상면으로, 통과시키면서 집적시킬 수 있다. 물론 내열성 보호층(20)에 접착층(30)을 전기방사하는 것도 가능하고, 접착층(30)에 내열성 보호층(20)을 형성하는 것도 가능하다.In the case of forming the heat resistant
분리막 구조를 구성하는 내열성 보호층(20)은 기계적 강도와 형태 안정성을 부여하기 위하여 열압착 과정을 거치는 것이 바람직하다. 이는 분리막(10), 접착층(30) 및 내열성 보호층(20)을 적층한 후, 롤을 이용해 열과 압력을 가함으로써 분리막 구조를 접합하는 과정에서 이루어질 수 있다. 또한 필름, 부직포, 모조지와 같은 기재에 전기방사를 통해 집적된 내열성 보호층(20)을 박리한 후, 캘린더 롤을 통해 열과 압력을 미리 내열성 보호층(20)에 가해줌으로써, 내열성 보호층(20) 두께를 줄일 수 있고 적층 후 전체 두께를 최소화시킬 수 있다. 이후 분리막(10)과 결합 과정에서 최소한의 가압을 통해 이들을 결합시킬 수 있게 된다. 이를 통해, 열압착 과정에서 분리막(10)의 기공 붕괴 가능성을 줄이고, 내열성 보호층(20)의 벌키(bulky)한 특성을 없애 주고, 접합 과정에서는 최소압으로 분리막(10)의 손상을 최소화할 수 있는 장점이 있다.The heat resistant
열압착 공정에서 분리막(10) 기공이 손상될 수 있으므로 기공도를 회복하거나, 분리막 구조의 두께를 재조정하기 위해 분리막 구조에 연신 과정이 추가될 수 있다. 연신은 일축 혹은 이축 연신한다. Since the pores of the
본 개시에 따른 분리막 구조는 도 1에 제한되지 않으며, 다음과 같은 분리막 구조가 가능하다.The separator structure according to the present disclosure is not limited to Fig. 1, and the following separator structure is possible.
- 내열성 보호층(20)/접착층(30)/분리막(10)으로 된 3층 분리막 구조A three-layer separation membrane structure made of the heat-resistant
- 내열성 보호층(20)/접착층(30)/분리막(10)/접착층(30)/내열성 보호층(20)으로 된 5층 분리막 구조(도 1 구조)Layer structure (Fig. 1 structure) composed of the heat-resistant
이때 접착층(30)은 분리막(10)에 마련되어도 좋고, 내열성 보호층(20)에 마련되어도 좋고, 별도로 마련되어도 좋다. 마찬가지로, 내열성 보호층(20)은 별도로 마련되어 좋고, 접착층(30)과 먼저 결합되어도 좋고, 접착층(30)과 결합된 분리막(10)과 결합되어도 좋다.At this time, the
분리막 구조의 기공도는 20%이상이 바람직한데, 기공도가 낮으면 전해액의 함침율이 낮아져 고성능 전지용 분리막으로 사용하기에 적합치 않게 된다. 분리막 구조의 전체 두께는 5~70㎛로 하는 것이 바람직하다. 두께가 5㎛보다 얇으면 강도가 약하여 전지 제조공정상 문제가 될 수 있고, 제조비용이 급격하게 상승되며, 70㎛보다 두꺼우면 이온전도성이 떨어질 수 있다. 더욱 바람직한 두께는 10~40㎛이다.The porosity of the membrane structure is preferably 20% or more. If the porosity is low, the impregnation rate of the electrolyte is low, which is not suitable for use as a separator for high performance cells. The total thickness of the membrane structure is preferably 5 to 70 mu m. If the thickness is thinner than 5 탆, the strength is weak, which may lead to a problem in the manufacturing process of the battery, and the production cost rises sharply. If it is thicker than 70 탆, the ion conductivity may be deteriorated. A more preferable thickness is 10 to 40 占 퐉.
전술한 방법으로 제조된 분리막 구조는 리튬 이차전지 또는 수퍼 캐패시터 소자와 같은 전기화학소자를 제조하는데 사용된다. 분리막 구조는 양극과 음극 사이에 개재되어 라미네이션 공정을 거쳐 전극과 분리막 구조가 일체화된 전극 구조체를 형성하며, 이를 전지 케이스에 넣은 후 유기 전해액을 주입, 밀봉하여 전기화학소자를 제조한다. 주입되는 유기 전해액은 유기용매에 리튬포스포헥사플루오라이드(LiPF 6 ; lithiumphospho hexafluoride), 리튬퍼클로레이트(LiClO 4 ; lithiumperchlorate), 리튬테트라플루오로보레이트(LiBF 4 ; lithiumtetrafluoroborate), 리튬트리플루오로메탄설포네이트(LiCF 3 SO 3 ; lithiumtrifluoromethanesulfonate)와 같은 리튬염이 용해된 상태이다. 유기용매는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(dipropyl carbonate), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate, EMC), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 혹은 이러한 용매의 조합이 될 수 있다.The separator structure manufactured by the above-described method is used for manufacturing an electrochemical device such as a lithium secondary battery or a supercapacitor device. The separator structure is an electrode structure in which an electrode and a separator structure are integrated through a lamination process, which is interposed between an anode and a cathode, is inserted into a battery case, and an organic electrolyte is injected and sealed to manufacture an electrochemical device. The organic electrolytic solution is injected into an organic solvent in the form of lithium phosphohexafluoride (LiPF 6), lithium perchlorate (LiClO 4), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4), lithium trifluoromethane sulfonate (Lithium trifluoromethanesulfonate) (LiCF 3 SO 3). The organic solvent may be selected from the group consisting of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, Ethylmethyl carbonate (EMC), gamma-butyrolactone, or a combination of such solvents.
실시예1Example 1
- 내열성 보호층(20)의 제조- Production of heat resistant protective layer (20)
PEI(Polyehter imide)와 디메틸아세트아미드(DMAc, Dimethylacetamide)를 무게비 15:85 비율로 혼합하여 15wt% 전기방사용액을 제조한 후 도 2에 도시된 전기방사 장치(40)의 저장 용기(112)에 투입 시행하여 섬유를 제조하였다. 전기방사 장치(40)는 방사노즐 팩(126)과 컬렉터(130)가 수직으로 연속하여 설치되었으며, 섬유를 집적하기 위한 기재로 모조지를 사용하였으며, 컬렉터(130)의 상면에 놓여 컬렉터(130) 위를 기재가 통과하도록 구성된 Roll-to-Roll 설비로 제조되었고, 전기방사에 의한 섬유는 기재 상단에만 집적하였다. 전기방사 장치(40)는 60개 방사노즐들(122)이 나열된 방사노즐팩(126) 8개를 설치하였으며 인가전압은 30kv, 토출량은 20㎕/min.hole로 공급하였다. 컬렉터(130)와 방사노즐들(122) 끝과의 거리는 20cm를 유지하여 9㎛ 두께의 내열성 보호층(20)을 제조하였다.15% by weight of PEI (Polyehter imide) and dimethylacetamide (DMAc, Dimethylacetamide) were mixed at a weight ratio of 15:85 to prepare a 15wt% electrolytic solution. Then, the electrolytic solution was added to the
- 접착층(30)의 제조- Preparation of the adhesive layer (30)
PVDF-CTFE 공중합체를 무게비가 6:4인 아세톤(acetone)과 디메틸아세트아미드(DMAc)의 혼합용매에 용해시켜 15중량%의 전기방사용액을 제조한 후 도 2에 도시된 전기방사 장치(40)의 저장 용기(112)에 투입 시행하여 섬유를 제조하였다. 전기방사 장치(40)는 방사노즐 팩(126)과 컬렉터(130)가 수직으로 연속하여 설치되었으며, 섬유를 집적하기 위한 기재로 일축 연신된 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)으로 된 두께 20㎛의 분리막(10)을 사용하였고, 컬렉터(130)의 상면에 놓여 컬렉터(130) 위를 분리막(10)이 통과하도록 구성된 Roll-to-Roll 설비로 제조되었으며, 전기방사에 의한 섬유는 분리막(10)의 상/하면에 직접 집적 코팅하였다. 전기방사 장치(40)는 60개 방사노즐들(122)이 나열된 방사노즐팩(126)이 상하단 각각 8개를 설치하였으며 인가전압은 28kv, 토출량은 50㎕/min.hole로 공급하였다. 컬렉터(130)와 방사노즐들(122) 끝과의 거리는 20cm를 유지하여 제조하였다. 접착층(30)의 두께는 상. 하면 각각 1.4㎛였다.The PVDF-CTFE copolymer was dissolved in a mixed solvent of acetone and dimethylacetamide (DMAc) in a weight ratio of 6: 4 to prepare an electrospinning solution of 15% by weight. Then, the electrospinning device 40 ) Into the
- 분리막 구조의 제조- Preparation of Membrane Structure
접착층(30)이 전기방사된 분리막(10)의 양면에 내열성 보호층(20)을 적층하고, 온도 50℃, 선압 30kg/cm의 조건으로 라미네이터(GMP사, 모델: EXCEL AM-655Q)를 통과시켜 서로 접합시켜 분리막 구조를 제조하였다. 제조된 분리막 구조의 전체 두께는 26㎛로 측정되었으며, 층간 박리 후 각 층의 두께를 측정해본 결과 9㎛ 두께의 내열성 보호층(20)은 열압착후 3.5㎛로 61% 두께 감소를 보였고, 20㎛ 두께의 분리막(10)은 열압착후 19㎛로 5% 두께 감소로 나타났다. 열압착에 의한 두께 감소는 기공도가 높은(75%이상) 내열성 보호층(20)의 두께 감소가 크게 나타났으며 상대적으로 기공도가 낮은(45%정도) 폴리프로필렌으로 된 분리막(10)의 두께 감소는 작게 나타났다.The heat resistant
실시예2Example 2
실시예1과 같은 방법으로 분리막(10)과 접착층(30)을 제조하여, 이를 기재로 사용하여 전기방사를 통해 내열성 보호층(20)을 직접 집적하였고, 나머지 방법은 실시예1과 동일하게 진행하여 분리막 구조를 제조하였다. 두께는 25㎛로 측정되었다.The
실시예3Example 3
접착층(30)을 내열성 보호층(20) 각각에 전기방사한 후, 이를 초극세섬유 코팅된 내열성 초극세섬유 다공막을 제조하였다. 폴리올레핀 다공막은 코팅 없이 사용하였으며 나머지 조건은 실시예1과 동일하게 진행하여 복합분리막을 제조하였으며 두께는 26㎛로 측정 되었다.After the
비교예1Comparative Example 1
실시예1에 사용된 분리막 만을 분리막 구조로 사용하였다.Only the separation membrane used in Example 1 was used as the separation membrane structure.
비교예2Comparative Example 2
접착층(30) 없이 분리막(10)과 내열성 보호층(20)을 접합하여 분리막 구조를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 사용되었다.Except that the
비교예3Comparative Example 3
PVdF-CTFE 공중합체를 10중량% 농도로 녹인 용액에 분리막(10)을 함침하는 딥코팅법에 의해 도포된 분리막(10)을 사용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 사용되었다.Was used in the same manner as in Example 1, except that the
실시예 및 비교예에서 제조된 분리막 구조를 이용하여 두께, 통기도, 열수축율, 접착력을 측정하였고 각각의 분리막 구조로 전지를 제조하여 안정성 시험을 수행하여 그 결과를 하기 도 3에 나타냈었다.The thickness, the air permeability, the heat shrinkage and the adhesion were measured using the separator structure prepared in Examples and Comparative Examples, and the cell was fabricated with each separator structure, and the stability test was performed. The results are shown in FIG.
비교예1을 제외하고 대체로 열안정성이 우수하게 나타났지만, 비교예3의 경우 통기도 측정이 되지 않았는데 이는 딥코팅 물질이 분리막의 기공을 막아 전체적인 기공도가 크게 나빠졌기 때문이고 이는 전지 성능평가를 나타내는 도 4에서도 확인된다. 실시예1-3, 비교예2의 경우 분리막(10)을 기재로 열압착을 통한 라미네이팅을 시행하여 통기도에 미친 영향을 확인한 결과 비교예1에 대비하여 수치향상은 있었지만 전지 사용에 가능한 수준으로 나타났다. 접착력의 결과에서 접착층(30)이 없는 비교예2의 경우 분리막으로 사용하기에 너무 낮은 결합력을 보여 보다 가혹한 열압착을 통한 라미네이팅이 요구되지만 분리막(10) 기공이 붕괴되는 결과를 예측할 수 있다. 그외 접착층(30) 내지 접착층(30) 물질이 딥코팅되는 경우에 사용하기에 충분한 접착력을 보여 접착층(30)의 성능이 우수함을 보였다. 전지의 열안정성 평가항목인 핫 박스(Hot box) 결과 비교예1을 제외한 모든 경우 안전성이 확인되어 내열성 보호층(20)의 열적 안전성이 검증되었으며, 동시에 하기 도 8의 열수축율 시험에서도 같은 결과로 검증되었다(실시예1(A), 실시예2(B), 비교예1(C) 및 비교예2(D)). 150℃에서 1시간 동안 노출된 비교예1의 열수축율이 38%인 반면 같은 조건에서 내열성 보호층이(20)이 도입된 분리막 구조의 열수축율은 4 ~ 11.5% 수준으로 크게 향상되어 열적 안정성이 검증되었다. 특히, 실시예1, 2에서 외관상 크게 변형되지 않는 것을 도 8로 확인할 수 있다.In Comparative Example 3, the air permeability was not measured, because the dip coating material blocked the pores of the separator and the porosity of the separator was largely deteriorated to thereby greatly deteriorate the performance of the battery. It is also confirmed in Fig. In the case of Examples 1-3 and Comparative Example 2, lamination through thermocompression bonding was performed on the
두께측정에는 TESA-μhite gage가 사용되었고, 통기도는 공기 100mL를 통과시키는데 걸리는 시간(초)을 Toyoseiki사 Gurley type Densometer (No.158)를 사용하여 측정하였으며, 접착력은 인장강도 측정장비(LLOYD LR5K PLUS)를 이용한 분리막 구조 시편을 폭 2.5cm, 길이 7cm로 제단 후 분리막(10)을 유리판 위에 부착시키고 유리판을 아래 그립에 고정시키고 내열성 보호층(20) 끝부분을 위쪽 그립에 고정하여 인장 박리하여 측정하였다. 열수축율은 분리막 구조를 5cm x 5cm 규격으로 시편 제단 후 금속(SUS304) 평판 위에 고정하고 같은 재질의 금속평판으로 덮어 고정시킨 후 150℃에서 1시간동안 방치하여 측정하였고, 핫 박스(Hot box)는 전지의 열안전성 평가로 만충전 상태에서 160℃에서 1시간 동안 열을 가하여 평가하였으며, 안전성 통과란 화염, 연기 및 폭발 등이 없는 상태를 말한다. Thickness measurements were used TESA-μhite gage, air permeability was measured the number of seconds it takes to pass through the air 100mL using a Toyoseiki Co. Gurley type Densometer (No.158), the adhesive force is the tensile strength measuring equipment (LLOYD LR5K PLUS ) After separating, the separator (10) was attached to the glass plate with the width of 2.5 cm and the length of 7 cm. The glass plate was fixed to the lower grip and the end of the heat-resistant protective layer (20) Respectively. The heat shrinkage was determined to stand for one hour at 150 ℃ were fixed covered with the metal plate of the material fixing the same on a specimen of metal (SUS304) plate after altar the membrane structure to 5cm x 5cm standard, hot box (Hot box) is The thermal stability of the battery was evaluated by heating at 160 ° C for 1 hour in a fully charged state. The safety pass is a state in which there is no flame, smoke and explosion.
도 5는 분리막에 전기방사된 접착층의 표면을 나타내는 SEM 사진이며, 도 6은 내열성 보호층의 표면을 나타내는 SEM 사진이고, 도 7은 열가압 처리된 분리막 구조 표면을 나타내는 SEM 사진이며, 도 8은 열수축 후의 실시예1(A), 실시예2(B), 비교예1(C) 및 비교예2(D)를 나타내는 사진이다.6 is a SEM photograph showing the surface of the heat-resistant protective layer, FIG. 7 is a SEM photograph showing the surface of the heat-treated separation membrane structure, and FIG. 8 is a cross- (A), Example 2 (B), Comparative Example 1 (C), and Comparative Example 2 (D) after heat shrinkage.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.Various embodiments of the present disclosure will be described below.
(1) 본 개시에 따른 전기화학 소자용 분리막 구조에 의하면, 제1 융점을 가지는 분리막; 분리막의 적어도 일 측에 위치되며, 제1 융점에서 녹지 않은 내열성 보호층; 그리고, 분리막과 내열성 보호층을 결합하며, 기공을 갖도록 섬유로 된 웹 형태의 접착층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조. 전기화학 소자의 대표적인 예는 리튬 이차전지이다. 제1 융점에서 녹지 않은 내열성 보호층을 사용함으로써, 분리막에 의해 폐쇄 기능에 의해 일차적인 안전장치 기능이 유지되면서, 더욱 심한 발열이 발생하더라도 단락 온도의 상승으로 양국과 음극 사이의 단락을 억제할 수 있다. 또한 섬유상 웹 형태의 접착층을 도입함으로써, 내열성 보호층과 분리막의 결합을 높이면서도, 기공도를 일정 이상 유지할 수 있게 된다.(1) According to the separation membrane structure for an electrochemical device according to the present disclosure, a separation membrane having a first melting point; A heat resistant protective layer located on at least one side of the separator and not soluble at the first melting point; The separator structure for electrochemical devices according to any one of claims 1 to 3, further comprising a web-shaped adhesive layer which combines the separator and the heat-resistant protective layer and has pores. A representative example of an electrochemical device is a lithium secondary battery. By using the heat-resistant protective layer that is not melted at the first melting point, the primary safety device function is maintained by the sealing function by the separating function, so that short circuit between the two countries and the cathode can be suppressed have. Further, by introducing an adhesive layer in the form of a fibrous web, it is possible to maintain the porosity at a certain level while enhancing the bonding between the heat resistant protective layer and the separator.
(2) 내열성 보호층 및 접착층 중 적어도 하나가 전기방사된 섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조. 접착층을 섬유로 된 웹으로 제조할 수 있다면, 방법은 전기방사에 국한되지 않는다. 다만 전기방사를 이용함으로써, 용이하게 그리고 전기화학 소자용 분리막 구조에 적합한 기공도를 유지하는 섬유로 된 웹을 성공적으로 만들 수 있으므로, 이러한 방법을 사용하는 것이 바람직한 실시예라 할 수 있다. 또한 내열성 보호층 및 접착층 모두를 전기방사함으로써, 이들간 구조상의 유사성을 높혀, 기공도의 조절 및 결합력의 향상을 도모할 수 있다.(2) The separator structure for an electrochemical device, wherein at least one of the heat resistant protective layer and the adhesive layer is formed of electrospun fiber. If the adhesive layer can be made into a web of fibers, the method is not limited to electrospinning. However, by using electrospinning, it is a preferred embodiment to use this method because it can easily make a web of fibers that maintains porosity suitable for a separator structure for an electrochemical device. Further, both the heat-resistant protective layer and the adhesive layer are electrospun, thereby enhancing the similarity in the structure between them, and controlling the porosity and improving the bonding strength.
(3) 내열성 보호층은 열가압에 의한 두께 감소를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.(3) The separator structure for an electrochemical device, characterized in that the heat resistant protective layer has a reduced thickness due to thermal pressurization.
(4) 내열성 보호층은 분리막과 내열성 보호층을 결합 전에 열가압에 의한 두께 감소를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조. 이를 통해 결합에서의 열가압에 두께 감소를 줄일 수 있으므로, 이는 단순히 방법적 기술이 아니라, 구조적 특징의 한정으로 이해되어야 한다.(4) The separator structure for an electrochemical device according to any one of the above items (1) to (4), wherein the heat resistant protective layer has a thickness reduced by heat pressing before the separator and the heat resistant protective layer are bonded. This can reduce the thickness reduction to heat pressurization in the bond, so this should be understood as a limitation of structural features, not simply methodological techniques.
분리막(10) 내열성 보호층(20) 접착층(30) Separator (10) Heat-resistant protective layer (20) Adhesive layer (30)
Claims (12)
제1 융점을 가지는 분리막;
분리막의 적어도 일 측에 위치되며, 제1 융점에서 녹지 않은 내열성 보호층; 그리고,
분리막과 내열성 보호층을 결합하며, 기공을 갖도록 섬유로 된 웹 형태의 접착층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.In a separator structure for an electrochemical device,
A separation membrane having a first melting point;
A heat resistant protective layer located on at least one side of the separator and not soluble at the first melting point; And,
And a web-shaped adhesive layer of a fiber, which combines the separator and the heat-resistant protective layer and has pores.
분리막은 폴리올레핀계 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.The method according to claim 1,
Wherein the separation membrane is formed of a polyolefin-based resin.
내열성 보호층 및 접착층 중 적어도 하나가 전기방사된 섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조. The method according to claim 1,
Wherein at least one of the heat resistant protective layer and the adhesive layer is formed of an electrospun fiber.
접착층은 전기방사된 섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.The method according to claim 1,
Wherein the adhesive layer is formed of electrospun fiber.
내열성 보호층은 열가압에 의한 두께 감소를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.The method according to claim 1,
Wherein the heat resistant protective layer has a reduced thickness due to thermal pressurization.
내열성 보호층은 분리막과 내열성 보호층을 결합 전에 열가압에 의한 두께 감소를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조. The method according to claim 1,
Wherein the heat resistant protective layer has a reduced thickness due to thermal pressurization before bonding the separator and the heat resistant protective layer.
접착층은 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌), 폴리(비닐리덴플루오라이드-클로로트리플로로에틸렌) 공중합체, 폴리메틸렌옥사이드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴아마이드, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐피로리돈, 폴리우레탄 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.The method according to claim 1,
The adhesive layer may be formed of at least one of polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (vinylidene fluoride-hexafluoropropylene), poly (vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene) copolymer, polymethylene oxide, polyethylene oxide, polyvinyl acetate , At least one of polystyrene, polyacrylonitrile, polyacrylamide, polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyvinyl pyrrolidone, and polyurethane.
내열성 보호층은 접착층을 형성하는 물질 또는 폴리아크릴로니트릴, 방향족 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리이써케톤, 폴리페닐레옥사이드, 폴리페닐렌설폰, 폴리설폰, 폴리이써설폰, 폴리이미드, 폴리이써이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리벤지이미다졸, 폴리벤조옥사졸, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리디페녹시포스파젠, 폴리포스파젠 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.The method according to claim 1,
The heat resistant protective layer may be formed of a material which forms an adhesive layer or a material which forms an adhesive layer or a material which forms an adhesive layer or a material which forms an adhesive layer or a material which forms an adhesive layer, At least one of polyamideimide, polyimide, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, cellulose acetate, poly (meta-phenylene isophthalamide), polydiphenoxaphospazene, polyphosphazene Wherein the separation membrane structure for an electrochemical device according to claim 1,
접착층은 0.1~30㎛의 두께 및 0.05~20.0g/㎡의 단위면적당 무게를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.The method according to claim 1,
Wherein the adhesive layer has a thickness of 0.1 to 30 μm and a weight per unit area of 0.05 to 20.0 g / m 2.
내열성 보호층은 1~30㎛의 두께 및 0.05~20g/㎡의 단위면적당 무게를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.The method according to claim 1,
Wherein the heat resistant protective layer has a thickness of 1 to 30 μm and a weight per unit area of 0.05 to 20 g / m 2.
분리막은 폴리올레핀계 수지로 형성되며,
내열성 보호층 및 접착층은 전기방사된 섬유로 형성되고,
내열성 보호층은 열가압에 의한 두께 감소를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.The method according to claim 1,
The separator is formed of a polyolefin resin,
The heat-resistant protective layer and the adhesive layer are formed of electrospun fiber,
Wherein the heat resistant protective layer has a reduced thickness due to thermal pressurization.
내열성 보호층은 분리막과 내열성 보호층을 결합 전에 열가압에 의한 두께 감소를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자용 분리막 구조.
The method of claim 11,
Wherein the heat resistant protective layer has a reduced thickness due to thermal pressurization before bonding the separator and the heat resistant protective layer.
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