KR20150062496A - 분리막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 분리막의 제조방법 - Google Patents

분리막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 분리막의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 분리막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 분리막의 제조방법에 관한 것이다.

Description

분리막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 분리막의 제조방법{SEPARATOR, ELECTROCHEMICAL CELL COMPRISING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING SEPARATOR}
본 명세서는 분리막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 분리막의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지, 플로우 배터리, 리튬 이차 전지 등은 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
상기 연료전지, 플로우 배터리, 리튬 이차 전지 등은 양극; 음극 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치되는 분리막을 포함한다.
이때, 상기 분리막은 이온을 잘 전달하면서 전해질 물질의 크로스오버(Cross Over)를 방지하고 전지 구동 시 필요한 내화학성 및 기계적 강도를 갖추어야 하며, 부피팽창율이 낮아야 한다.
당 기술분야에서는 분리막의 물성을 향상시키기 위한 연구를 진행하고 있다.
대한민국특허공개 제 1999-0010035 호
본 명세서는 분리막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 분리막의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 명세서는 다공성 지지체; 상기 다공성 지지체의 기공 내에 구비된 제1 이온전도체; 및 상기 제1 이온전도체 및 상기 다공성 지지체 상에 도포되는 제2 이온전도체를 포함하며, 상기 제1 이온전도체는 제2 이온전도체보다 이온교환능(IEC, ion exchange capacity)이 높은 것인 분리막을 제공한다.
또한, 본 명세서는 음극; 양극; 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치되는 상기 분리막을 포함하는 것인 전기화학 전지를 제공한다.
또한, 본 명세서는 전기화학 전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
또한, 본 명세서는 다공성 지지체의 기공 내에 제1 이온전도체를 코팅하는 단계; 및 상기 제1 이온전도체 및 상기 다공성 지지체 상에 제2 이온전도체를 도포하는 단계를 포함하며, 상기 제1 이온전도체는 제2 이온전도체보다 이온교환능이 높은 것인 분리막의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막을 사용하는 경우 분리막의 부피팽창율이 낮은 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 분리막을 사용하는 경우 기계적 강도가 높은 장점이 있다.
도 1은 다공성 지지체와 제1 및 제2 이온전도체가 구비된 분리막의 사시도이다.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서는 다공성 지지체; 상기 다공성 지지체의 기공 내에 구비된 제1 이온전도체; 및 상기 제1 이온전도체 및 상기 다공성 지지체 상에 도포되는 제2 이온전도체를 포함하는 분리막을 제공한다.
상기 다공성 지지체는 분리막의 기계적 강도를 증진시키고 온도 및 습도 변화에 따른 분리막의 부피 변화율을 최소화하는 역할을 하는 것이다.
상기 다공성 지지체는 다수의 기공을 포함하고 있다면 지지체의 구조 및 재질은 특별히 한정되지 않으며, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 이용할 수 있다.
예를 들면, 상기 다공성 지지체는 폴리 이미드(Polyimide:PI), 폴리아미드(Polyamide:PA), 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephtalate:PET), 폴리테트라플루오로 에틸렌(polytetrafluoro ethylene:PTFE), 폴리에틸렌(Polyethylene:PE), 폴리프로필렌(polypropylene:PP), 폴리아릴렌에테르 술폰(Poly(arylene ether sulfone):PAES), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone:PEEK) 등을 포함할 수 있다.
상기 제1 이온전도체는 제2 이온전도체보다 이온교환능(IEC, ion exchange capacity)이 높을 수 있다.
이온교환능이 높을수록 이온을 잘 전달할 수 있지만, 이온교환능이 너무 높은 경우에는 전지 가동시 이온전도체의 부피팽창이 커서 사용하기에 어려움이 있다.
본 명세서에서는 이온교환능이 높은 제1 이온전도체를 먼저 다공성 지지체의 기공에 충진시키고 상기 제1 이온전도체 및 상기 다공성 지지체 상에 이온교환능이 낮은 제2 이온전도체를 도포함으로써, 전지 가동시 제1 이온전도체의 부피가 팽창되는 것을 제2 이온전도체가 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 명세서에 따른 분리막은 높은 이온교환능을 갖으면서 부피팽창율이 낮은 장점이 있다.
상기 제1 이온전도체와 제2 이온전도체의 이온교환능의 차이는 0.1 이상 2.5 이하일 수 있다.
상기 제1 이온전도체의 이온교환능은 1.0 이상 3.0 이하일 수 있다.
상기 제2 이온전도체의 이온교환능은 0.2 이상 2.0 이하일 수 있다.
상기 제2 이온전도체는 제1 이온전도체보다 분자량이 큰 것일 수 있다. 이 경우 전기화학 전지용 분리막 적용 시 기계적, 화학적 물성이 우수한 장점이 있다.
상기 제1 이온전도체의 분자량은 5,000 이상 500,000 이하일 수 있다.
상기 제2 이온전도체의 분자량은 50,000 이상 1,000,000 이하일 수 있다.
상기 제1 이온전도체의 종류는 이온교환능이 제2 이온전도체보다 높다면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 상기 제1 이온전도체는 술폰산 함유 비닐계 고분자, 술폰산 함유 방향족 고분자, 술폰산 함유 불소계 고분자, 술폰산 함유 부분 불소계 고분자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 이온전도체의 종류는 제1 이온전도체보다 이온교환능이 낮고, 분자량이 크다면 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 상기 제2 이온전도체는 술폰산 함유 비닐계 고분자, 술폰산 함유 방향족 고분자, 술폰산 함유 불소계 고분자, 술폰산 함유 부분 불소계 고분자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
증류수에 수시간에서 수일 함침 시 상기 분리막의 부피팽창율은 30% 이하일 수 있다. 구체적으로 12 시간 내지 7일 동안 증류수에 함침할 때의 부피팽창율을 측정할 수 있다. 이때, 부피팽창율은 증류수에 함침하기 전 분리막의 부피에 대한 기준으로 함침 후 증가된 분리막의 부피의 백분율을 말한다.
상기 제1 이온전도체의 중량을 기준으로 상기 제2 이온전도체의 함량은 50 중량% 이상 300 중량% 이하일 수 있다.
상기 제1 이온전도체 및 제2 이온전도체는 첨가제 및 용매 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 따른 분리막을 포함하는 것인 전기화학 전지를 제공한다.
상기 전기화학 전지는 음극; 양극; 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치되는 분리막을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 음극 및 양극은 집전체; 및 상기 집전체에 도포된 활물질층을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 상기 양극과 음극 사이에 배치된 전해질을 더 포함할 수 있다.
상기 음극, 양극 및 전해질은 전기화학 전지의 특성에 맞게 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 채용할 수 있다.
상기 전기화학 전지는 물질의 화학적 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 전기 에너지를 화학 에너지로 변환할 수 있다면 특별히 한정하지 않으며, 1차 전지와 2차 전지를 모두 포함한다.
상기 전기화학 전지는 리튬 이차 전지, 금속 공기 전지, 연료전지 및 플로우 배터리 중 어느 하나일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전기화학 전지는 연료전지일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전기화학 전지는 흐름 배터리일 수 있다.
상기 전기화학 전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다.
본 명세서는 상기 전기화학 전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
상기 전지 모듈은 본 출원의 하나의 실시 상태에 따른 전기화학 전지 사이에 바이폴라(bipolar) 플레이트를 삽입하여 스택킹(stacking)하여 형성될 수 있다.
상기 전지 모듈은 구체적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장장치의 전원으로 사용될 수 있다.
다공성 지지체의 기공 내에 제1 이온전도체를 코팅하는 단계; 및 상기 제1 이온전도체 및 상기 다공성 지지체 상에 제2 이온전도체를 도포하는 단계를 포함하는 분리막의 제조방법을 제공한다.
상기 다공성 지지체 및 제1 및 제2 이온전도체에 대한 설명은 상술한 바와 동일하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 이온전도체는 디핑(dipping) 방식으로 다공성 지지체의 기공 내에 코팅할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 이온전도체는 슬롯 다이(slot die) 방식으로 다공성 지지체의 기공 내에 코팅할 수 있다.
이하, 본 출원을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 출원에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 출원의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되지 않는다.
[실시예]
[실시예 1]
1차 이온전달 소재인 술폰산 함유 폴리 술폰 용액 (점도 500cPs, IEC 2.0)을 부직포 (PP, 기공도 60%) 의 기공에 딥 코팅 방법으로 채우고, 스크류 및 롤러로 부직포의 표면을 고르게 한 후 1차 건조를 하였다. 그 후 2차 이온전달 소재인 술폰산 함유 폴리 술폰 용액 (점도 500 cPs, IEC 1.0)으로 슬롯 다이를 두번 통과시켜 부직포의 상면과 하면을 각각 5 마이크로미터 두께로 코팅한 후 건조하였다. 기공이 채워진 정도를 SEM을 통하여 확인하였으며 표면의 거칠기는 분리막 두께의 편차로 측정하였다. 분리막의 이온 전도도는 0.12 S/cm 이었다.
[비교예 1]
1차 이온전달 소재인 술폰산 함유 폴리 술폰 용액 (점도 500cPs, IEC 2.0)을 부직포 (PP, 기공도 60%) 의 기공에 딥 코팅 방법으로 채우고, 스크류 및 롤러로 부직포의 표면을 고르게 한 후 1차 건조를 하였다. 그 후 동일한 소재를 사용하여 슬롯 다이를 두번 통과시켜 부직포의 상면과 하면을 각각 5 마이크로미터 두께로 코팅한 후 건조하였다. 기공이 채워진 정도를 SEM을 통하여 확인하였으며 표면의 거칠기는 분리막 두께의 편차로 측정하였다. 분리막의 이온 전도도는 0.15 S/cm이었다.

Claims (19)

  1. 다공성 지지체;
    상기 다공성 지지체의 기공 내에 구비된 제1 이온전도체; 및
    상기 제1 이온전도체 및 상기 다공성 지지체 상에 도포되는 제2 이온전도체를 포함하며,
    상기 제1 이온전도체는 제2 이온전도체보다 이온교환능(IEC, ion exchange capacity)이 높은 것인 분리막.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 이온전도체와 제2 이온전도체의 이온교환능의 차이는 0.1 이상 2.5 이하인 것인 분리막.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 이온전도체의 이온교환능은 1.0 이상 3.0 이하인 것인 분리막.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 이온전도체의 이온교환능은 0.2 이상 2.0 이하인 것인 분리막.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 이온전도체는 제1 이온전도체보다 분자량이 큰 것인 분리막.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 이온전도체의 분자량은 5,000 이상 500,000 이하인 것인 분리막.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 이온전도체의 분자량은 50,000 이상 1,000,000 이하인 것인 분리막.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 이온전도체는 술폰산 함유 비닐계 고분자, 술폰산 함유 방향족 고분자, 술폰산 함유 불소계 고분자, 술폰산 함유 부분 불소계 고분자 중 적어도 하나를 포함하는 것인 분리막.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 이온전도체는 술폰산 함유 비닐계 고분자, 술폰산 함유 방향족 고분자, 술폰산 함유 불소계 고분자, 술폰산 함유 부분 불소계 고분자 중 적어도 하나를 포함하는 것인 분리막.
  10. 청구항 1에 있어서, 12 시간 내지 7일 동안 증류수에 함침 시 상기 분리막의 부피팽창율은 30% 이하인 것인 분리막.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 이온전도체의 중량을 기준으로 상기 제2 이온전도체의 함량은 50 중량% 이상 300 중량% 이하인 것인 분리막.
  12. 음극; 양극; 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치되는 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항의 분리막을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 전기화학 전지는 연료전지인 것인 전기화학 전지.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 전기화학 전지는 흐름 배터리인 것인 전기화학 전지.
  15. 청구항 12에 따른 전기화학 전지를 단위 전지로 포함하는 전지 모듈.
  16. 다공성 지지체의 기공 내에 제1 이온전도체를 코팅하는 단계; 및
    상기 제1 이온전도체 및 상기 다공성 지지체 상에 제2 이온전도체를 도포하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 이온전도체는 제2 이온전도체보다 이온교환능이 높은 것인 분리막의 제조방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 제1 이온전도체는 디핑(dipping) 방식으로 다공성 지지체의 기공 내에 코팅되는 것인 분리막의 제조방법.
  18. 청구항 16에 있어서, 상기 제2 이온전도체는 슬롯 다이(slot die) 방식으로 다공성 지지체의 기공 내에 코팅되는 것인 분리막의 제조방법.
  19. 청구항 16에 있어서, 상기 제1 이온전도체의 중량을 기준으로 상기 제2 이온전도체의 함량은 50 중량% 이상 300 중량% 이하인 것인 분리막의 제조방법.
KR1020130147211A 2013-11-29 2013-11-29 분리막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 분리막의 제조방법 KR20150062496A (ko)

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