KR20160086194A - 열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20160086194A
KR20160086194A KR1020150003622A KR20150003622A KR20160086194A KR 20160086194 A KR20160086194 A KR 20160086194A KR 1020150003622 A KR1020150003622 A KR 1020150003622A KR 20150003622 A KR20150003622 A KR 20150003622A KR 20160086194 A KR20160086194 A KR 20160086194A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
porous
heat transfer
transfer film
separator
graphite
Prior art date
Application number
KR1020150003622A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101896142B1 (ko
Inventor
신현경
김민형
성동욱
성인혁
이지은
이주성
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020150003622A priority Critical patent/KR101896142B1/ko
Priority to PCT/KR2016/000247 priority patent/WO2016111606A1/ko
Priority to US15/539,408 priority patent/US10374203B2/en
Publication of KR20160086194A publication Critical patent/KR20160086194A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101896142B1 publication Critical patent/KR101896142B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H01M2/1686—
    • 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
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • 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
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/654—Means for temperature control structurally associated with the cells located inside the innermost case of the cells, e.g. mandrels, electrodes or electrolytes
    • 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
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/653—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by electrically insulating or thermally conductive materials
    • H01M2/164—
    • 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
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/423—Polyamide 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
    • H01M50/426—Fluorocarbon polymers
    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • H01M50/443—Particulate material
    • 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
    • H01M50/446—Composite material consisting of a mixture of organic and inorganic materials
    • 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
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • 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
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/451—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising layers of only organic material and layers containing inorganic material
    • 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
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/457—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
    • 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
    • H01M50/463—Separators, membranes or diaphragms characterised by their shape
    • 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
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • 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
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491—Porosity
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Cell Separators (AREA)

Abstract

분리막 및 상기 분리막의 적어도 일면에 형성된 다공성 열전달 필름을 포함하는 열확산성 분리막이 제공된다.

Description

열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지{THERMAL DIFFUSION SEPARATOR AND SECONDARY BATTERY CONTAINING THE SAME}
본 발명은 열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지 셀 내에서 국부적으로 발생하는 열을 빠르게 확산할 수 있는 열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
최근, 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북, 나아가 전기 자동차의 에너지까지 적용 분야가 확대되면서 충방전이 가능한 이차전지, 특히 리튬 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
그러나, 이차전지의 다공성 분리막은 재료적 특성과 연신을 포함하는 제조 공정 상의 특성으로 인하여 약 100℃ 이상의 온도에서 극심한 열 수축 거동을 보임으로써 양극과 음극 사이의 단락을 일으키는 문제점이 있다.
리튬 이온 배터리 분야에서 통상적으로 사용되고 있는 분리막은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀계 소재를 이용하고 있으며 대체적으로 25㎛ 정도의 두께를 갖는다.
현재 상용화되고 있는 분리막 개발의 이슈로 열적 안정성을 꼽을 수 있다. 고분자 수지 분리막의 경우 120℃ 후반에서 열수축이 시작되며 특히 권취 방식의 원통형/각형 저지의 경우 T/D 방향으로의 응력이 상대적으로 취약한 코어 부분에서 그 변형의 정도가 커서 고온에서의 장시간 노출시 분리막 수축으로 인한 양극 및/또는 음극 무지부의 접촉 및 발열, 발화 가능성이 존재하게 된다. 분리막의 열수축 개선을 위해 습식 코팅 방식으로 무기물-고분자 수지 복합체를 제조하기도 하지만, 분리막의 두께가 수 ㎛ 이상 증가하여 한정된 공간의 배터리 셀의 에너지 밀도 저하를 유발하는 문제가 있다.
또한, 배터리 셀에서 국부적으로 열이 발생하여 일정 온도 이상이 되면 분리막이 녹으면서 양극과 음극 사이에 단락이 일어나게 되고, 이에 의해 2차적인 열이 발생하여 셀 안정성을 크게 저하시킬 수 있어, 분리막의 열적 안정성을 개선하기 위한 기술 개발이 꾸준히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 다공성 열전달 필름을 사용하여, 분리막 상에 국부적으로 발생하는 열을 빠르게 확산할 수 시킬 수 있는 열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 기재된 수단 또는 방법 및 이에 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 분리막 및 상기 분리막의 적어도 일면에 형성된 다공성 열전달 필름을 포함하는 열확산성 분리막이 제공된다.
상기 다공성 열전달 필름은 두께방향으로의 열전도도보다 면방향으로의 열전도도가 더 큰 값을 가질 수 있다.
상기 다공성 열전달 필름의 면방향으로의 열전도도는 두께방향으로의 열전도도의 20배 이상 큰 것일 수 있다.
상기 다공성 열전달 필름은 내부의 기공들이 서로 연결된 형태로 존재하는 개포형(open cell type)의 구조일 수 있다.
상기 다공성 열전달 필름은 내부의 기공들이 서로 독립적으로 존재하는 폐포형(close cell type)의 구조를 가질 수 있다.
상기 다공성 열전달 필름은 흑연, 탄소, 그래파이트, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 분리막은 다공성 고분자 기재 단독으로 이루어지거나, 다공성 고분자 기재 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에서 형성된 다공성 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 다공성 코팅층은 무기물 입자와 바인더 고분자 입자로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면 전술한 분리막을 포함하는 이차전지가 제공된다.
본 발명은 분리막 표면에 다공성 열전달 필름을 부착한 열확산성 분리막을 제공함으로써, 전지 셀 내에서 국부적으로 발생하는 열을 빠르게 확산시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 최적화된 기공 형태를 가진 웹 형태의 다공성 열전달 필름을 제공함으로써, 열 확산 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 상기과 같은 분리막을 포함하여, 셀 안정성이 향상되며, 수명 특성이 개선된 이차전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시한 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 잘 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열확산성 분리막을 간략히 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 안되며, 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. 따라서, 본 명세서상에 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열확산성 분리막을 간략히 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열확산성 분리막은, 분리막(10) 및 상기 분리막(10)의 적어도 일면에 형성된 다공성 열전달 필름(20)을 포함한다.
상기 분리막은 이차전지에 적용하여 음극과 양극의 단락의 방지하는 물질을 제한없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 다공성 고분자 기재일 수 있으며, 보다 상세하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀으로 이루어진 다공성 고분자 필름일 수 있으며, 이러한 폴리올레핀 다공성 고분자 필름 기재는 예를 들어 80 내지 130 ℃의 온도에서 셧다운 기능을 발현한다.
이때, 폴리올레핀 다공성 고분자 필름은 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독 또는 이들의 2종 이상 혼합하여 고분자로 형성할 수 있다.
또한, 상기 다공성 고분자 필름 기재는 폴리올레핀 외에 폴리에스테르 등의 다양한 고분자들을 이용하여 필름 형상으로 성형하여 제조될 수도 있다. 또한, 상기 다공성 고분자 필름 기재는 2층 이상의 필름층이 적층된 구조로 형성될 수 있으며, 각 필름층은 전술한 폴리올레핀, 폴리에스테르 등의 고분자 단독으로 또는 이들을 2종 이상 혼합한 고분자로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 다공성 고분자 필름 기재 및 다공성 부직포 기재는 상기와 같은 폴리올레핀계 외에 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성될 수 있다.
또한, 상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50 ㎛가 바람직하고, 다공성 기재에 존재하는 기공의 크기는 전극접착층의 고분자 바인더 섬유보다 작으면 되고, 바람직하게는 0.001 내지 50㎛며, 기공도는 01 내지 99%인 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명에 적용할 수 있는 분리막으로 전술한 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있으며, 상기 다공성 코팅층은 무기물 입자 및 바인더 고분자를 포함할 수 있다.
상기 무기물 입자들은 충전되어 서로 접촉된 상태에서 상기 바인더 고분자에 의해 서로 결착되고, 이로 인해 무기물 입자들 사이에 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)이 형성되고, 상기 무기물 입자 사이의 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)은 빈 공간이 되어 기공을 형성한다.
즉, 바인더 고분자는 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착하며, 예를 들어 바인더 고분자가 무기물 입자 사이를 연결 및 고정 시키고 있다. 또한, 상기 다공성 코팅층의 기공은 무기물 입자들 간의 인터스티셜 볼륨(interstitail volume)이 빈 공간이 되어 형성된 기공이고, 이는 무기물 입자들에 의한 충진 구조(closed packed or densely packed)에서 실질적으로 면접하는 무기물 입자들에 의해 한정되는 공간이다. 이러한 다공성 코팅층의 기공을 통하여 전지를 작동시키기 위하여 필수적인 리튬이온이 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전기화학소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5 V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 무기물 입자로서 유전율이 높은 무기물 입자를 사용하는 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상이고, 바람직하게는 10 이상인 고유전율 무기물 입자 또는 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT, 0<x<1), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT, 0<x<1, 0<y<1), (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT, 0<x<1), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, SiO2, Y2O3, Al2O3, SiC 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물과 같은 무기물 입자들은 유전율 상수가 100 이상인 고유전율 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축하는 경우 전하가 발생하여 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 압전성(piezoelectricity)을 가짐으로써, 외부 충격에 의한 양(兩) 전극의 내부 단락 발생을 방지하여 전기화학소자의 안정성 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되, 리튬을 저장하지 않고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 의미한다. 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3,0<x<2,0<y<3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3,0<x<2,0<y<1,0<z<3),(LiAlTiP)xOy계열 글래스(glass)(0<x<4, 0<y<13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3,0<x<2,0<y<3), 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), 리튬나이트라이드(LixNy, 0<x<4, 0<y<2), SiS2(LixSiySz,0<x<3,0<y<2,0<z<4)계열 글래스 및 P2S5(LixPySz,0<x<3,0<y<3,0<z<7)계열 글래스 또는 이들의 혼합물 등이 있으며, 전술한 고유전율 무기물 입자와 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 등을 혼용할 경우 이들의 상승 효과는 배가될 수 있다.
상기 다공성 코팅층의 무기물 입자 크기는 제한이 없으나, 균일한 두께의 코팅층 형성 및 적절한 공극률을 위하여, 가능한 한 0.001 내지 10 ㎛ 범위인 것이 바람직하다.
상기 다공성 코팅층을 형성하는 고분자 바인더는 무기물 입자와 함께 다공성 코팅층 형성에 사용될 수 있는 바인더는 제한없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 유기계 바인더 고분자 또는 수계 바인더 고분자일 수 있다.
상기 다공성 열전달 필름은 분리막의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다.
이때, 전술한 바와 같이 분리막이 다공성 고분자 기재 및 다공성 코팅층으로 이루어진 경우, 상기 다공성 열전달 필름은 상기 다공성 코팅층의 표면에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 적용할 수 있는 다공성 열전달 필름은 흑연, 탄소, 그래파이트, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나로 형성될 수 있고, 바람직하게는 그래파이트로 형성될 수 있다.
본 발명에 적용할 수 있는 다공성 열전달 필름은 전지 셀 내에서 발생하는 열을 빠르게 확산시켜, 양극과 음극이 단락되는 것을 방지하기 위한 것이다.
따라서, 상기 다공성 열전달 필름의 두께방향으로 열전도도보다 면방향으로 열전도도가 더 큰 값을 가져야 하며, 이로 인해 상기 다공성 열전달 필름은 전지 셀 내의 열이 분리막으로 확산 되는 것을 막을 수 있다
상세하게는 상기 다공성 열전달 필름의 면 방향으로의 열 전도도가 두께방향보다 20배 이상 큰 값을 가지는 것이 바람직하며, 이는 전술한 열 확산 효율을 증가시키기 위함이다.
본 발명의 일 실시예 따른 열확산성 분리막의 다공성 열전달 필름은 내부에 다공성의 재질로 이루어진다. 이러한 다공성 열전달 필름은 개포형(開泡形, open cell type)의 구조를 가지도록 형성될 수도 있고, 폐포형(閉泡形, closed cell type)의 구조를 가지도록 형성될 수도 있다. 개포형 구조는 다공성 열전달 시트 내부의 기공들이 서로 연결된 형태로 존재하는 반면, 폐포형 구조에서는 다공성 열전달 시트 내부의 기공들이 연결되지 않고 독립적으로 존재한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따라 전술한 열확산성 분리막을 포함하는 이차전지가 제공된다.
상기 이차전지는 열확산성 분리막을 사이에 두고 양극, 음극이 적층된 구조일 수 있다.
상기 양극은 전지 셀을 구성할 수 있는 물질은 제한없이 적용 가능하고, 바람직하게는 양극활물질이 코팅된 전극집전체로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 양극활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 및 LiNi 1-x-yzCoxM1yM2zO2(M1 및 M2는 서로 독립적으로 Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이고, x, y 및 z는 서로 독립적으로 산화물 조성 원소들의 원자 분율로서 0 = x < 0.5, 0 = y < 0.5, 0 = z <0.5, 0 < x+y+z = 1임) 등으로 이루어진 활물질 입자를 사용하여 제조할 수 있다.
또한, 상기 음극 역시 전지 셀을 구성할 수 있는 물질은 제한없이 적용 가능하고, 바람직하게는 음극활물질이 코팅된 전극집전체로 이루어질 수 있다.
상기 음극활물질은 천연흑연, 인조흑연과 같은 탄소질재료; 리튬 함유 티타늄 복합 산화물(LTO), Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni 또는 Fe인 금속류(Me); 상기 금속류(Me)로 구성된 합금류; 상기 금속류(Me)의 산화물(MeOx); 및 상기 금속류(Me)와 탄소와의 복합체 등으로 이루어진 활물질 입자를 사용하여 제조할 수 있다.
아울러, 양극 또는 음극의 전극집전체는 스테인리스스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성탄소, 구리;카본, 니켈, 티탄 또는 은으로 표면 처리된 스테인리스스틸;알루미늄-카드뮴 합금 등으로 제조된 것을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위하여 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에 서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가지는 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
[실시예 1]
두께가 약 20㎛인 흑연 시트을 펀칭 기계로 지름 1000㎛의 원형 구멍을 뚫어 기공도가 70%가 되게 한다. PVDF계 바인더를 사용하여 폴리에틸렌 분리막/흑연시트/양극을 접착시키고, CMC(carboxymethyl cellulose) 계열 바인더를 이용하여 흑연시트와 양극이 접착되지 않은 분리막의 다른 면에 음극을 접착시킨다. 음극/분리막/흑연시트/양극과 EC와 LiPF6를 주요 성분으로 하는 전해액을 함께 사용하여 27㎝ x 10㎝ x 0.5㎝의 리튬이온전지 셀을 제작하였다. 과열 시험과 못 관통 시험을 진행하여 시간에 따른 셀 전압 변화와 국부(세 지점 : 중앙 지점과 그로부터 5㎝ 떨어져 있는 두 지점)온도의 시간에 따른 변화를 측정하였다.
[실시예 2]
실시예 1에서 사용한 흑연 시트 대신 박리 흑연을 사용하였다. 이때, 박리 흑연은 팽창흑연을 고온에서 급속 가열과 초음파 처리를 통하여 제조하였으며, 두께가 약 40nm인 박리흑연은 PVDF계 바인더와 함께 폴리에틸렌 분리막에 부착하였다. (용매에 박리흑연과 바인더를 넣어 교반 후 분리막 위에 코팅한다) 박리 흑연이 붙은 면에 양극을 접착시키고, 박리 흑연이 붙지 않은 분리막의 다른 면에 음극을 접착시킨 후, 음극/분리막/박리흑연/양극과 EC와 LiPF6를 주요 성분으로 하는 전해액을 함께 사용하여 27㎝ x 10㎝ x 0.5㎝ 리튬이온전지 셀을 제작하여, 실시예 1과 같이 과열 시험과 못 관통 시험을 진행하였다.
[비교예 1]
음극/분리막/양극과 EC와 LiPF6를 주요 성분으로 하는 전해액을 함께 사용하여 27㎝ x 10㎝ x 0.5㎝ 리튬이온전지 셀을 제작하여, 실시예 1과 같이 과열 시험과 못 관통 시험을 진행하였다.
과열시험/못 관통시험의 전압과 국부 온도 변화 측정
비교예 1의 리튬이온전지 셀은 실시예 1, 2에 비해 셀 전압의 감소가 빠르고, 위치에 따른 온도 편차가 크며, 온도가 빠르게 증가하는데 반해, 실시예 1, 2는 흑연시트와 박리흑연이 전지 셀 내에서 국부적으로 발생한 열을 면 방향으로 빠르게 확산시킴으로써, 온도 편차가 낮게 측정된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함을 물론이다.
10 : 분리막
20 : 다공성 열전달 필름

Claims (9)

  1. 분리막 및 상기 분리막의 적어도 일면에 형성된 다공성 열전달 필름을 포함하는 열확산성 분리막.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 열전달 필름은 두께방향으로의 열전도도보다 면방향으로의 열전도도가 더 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 열확산성 분리막.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 열전달 필름의 면방향으로의 열전도도는 두께방향으로의 열전도도보다 20배 이상 큰 것을 특징으로 하는 열확산성 분리막.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 열전달 필름은 내부의 기공들이 서로 연결된 형태로 존재하는 개포형(open cell type)의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열확산성 분리막.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 열전달 필름은 내부의 기공들이 서로 독립적으로 존재하는 폐포형(close cell type)의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열확산성 분리막.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 열전달 필름은 흑연, 탄소, 그래파이트, 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 열확산성 분리막.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막은 다공성 고분자 기재 단독으로 이루어지거나, 다공성 고분자 기재 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에서 형성된 다공성 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열확산성 분리막
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 다공성 코팅층은 무기물 입자와 바인더 고분자 입자로 이루어진 것을 특징으로 하는 열확산성 분리막.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 열확산성 분리막을 포함하는 이차전지.
KR1020150003622A 2015-01-09 2015-01-09 열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지 KR101896142B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150003622A KR101896142B1 (ko) 2015-01-09 2015-01-09 열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지
PCT/KR2016/000247 WO2016111606A1 (ko) 2015-01-09 2016-01-11 열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지
US15/539,408 US10374203B2 (en) 2015-01-09 2016-01-11 Heat-diffusible separation film and secondary cell comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150003622A KR101896142B1 (ko) 2015-01-09 2015-01-09 열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160086194A true KR20160086194A (ko) 2016-07-19
KR101896142B1 KR101896142B1 (ko) 2018-09-06

Family

ID=56356216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150003622A KR101896142B1 (ko) 2015-01-09 2015-01-09 열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10374203B2 (ko)
KR (1) KR101896142B1 (ko)
WO (1) WO2016111606A1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101972034B1 (ko) * 2018-03-14 2019-08-16 한국과학기술연구원 아미노 기능화 환원 그래핀 옥사이드 박막을 포함하는 이차전지 음극 보호용 고체-전해질 중간상, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬금속 이차전지
WO2020218794A1 (ko) * 2019-04-22 2020-10-29 주식회사 엘지화학 전극조립체
US10923726B2 (en) 2018-03-08 2021-02-16 Korea Institute Of Science And Technology Artificial solid electrolyte interphase of a metallic anode for a secondary battery including amino-functionalized carbon structures to protect the anode material, a method for producing the anode and a lithium metal secondary battery including the anode produced by the method

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109860477A (zh) * 2018-12-14 2019-06-07 天津力神电池股份有限公司 一种具有高导热材料层的复合隔膜及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006269358A (ja) * 2005-03-25 2006-10-05 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液二次電池用多孔質セパレータおよびそれを用いた非水系電解液二次電池
KR20100073753A (ko) * 2008-12-23 2010-07-01 주식회사 효성 내열성 및 강도가 개선된 다공성 분리막, 이의 제조방법 및이를 포함하는 전기화학 소자
JP2010171030A (ja) * 2008-12-22 2010-08-05 Kaneka Corp 放熱構造体

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5640546B2 (ja) * 2009-08-19 2014-12-17 三菱化学株式会社 非水系電解液二次電池用セパレータ及び非水系電解液二次電池
KR101515357B1 (ko) 2012-02-29 2015-04-28 제일모직주식회사 유기 및 무기 혼합물 코팅층을 포함하는 분리막 및 이를 이용한 전지
JP6043188B2 (ja) * 2013-01-08 2016-12-14 株式会社カネカ 層間熱接続部材および層間熱接続方法
CN105051941B (zh) * 2013-03-19 2017-11-21 索尼公司 隔膜、电池、电池组、电子设备、电动车辆、电力储存装置以及电力系统
JP5624647B2 (ja) 2013-06-07 2014-11-12 株式会社カネカ グラファイト複合フィルムの製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006269358A (ja) * 2005-03-25 2006-10-05 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液二次電池用多孔質セパレータおよびそれを用いた非水系電解液二次電池
JP2010171030A (ja) * 2008-12-22 2010-08-05 Kaneka Corp 放熱構造体
KR20100073753A (ko) * 2008-12-23 2010-07-01 주식회사 효성 내열성 및 강도가 개선된 다공성 분리막, 이의 제조방법 및이를 포함하는 전기화학 소자

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Materials Science and Engineering C, 33 (2013) 1702-1709 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10923726B2 (en) 2018-03-08 2021-02-16 Korea Institute Of Science And Technology Artificial solid electrolyte interphase of a metallic anode for a secondary battery including amino-functionalized carbon structures to protect the anode material, a method for producing the anode and a lithium metal secondary battery including the anode produced by the method
KR101972034B1 (ko) * 2018-03-14 2019-08-16 한국과학기술연구원 아미노 기능화 환원 그래핀 옥사이드 박막을 포함하는 이차전지 음극 보호용 고체-전해질 중간상, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬금속 이차전지
WO2020218794A1 (ko) * 2019-04-22 2020-10-29 주식회사 엘지화학 전극조립체
KR20200123583A (ko) * 2019-04-22 2020-10-30 주식회사 엘지화학 전극조립체

Also Published As

Publication number Publication date
KR101896142B1 (ko) 2018-09-06
US20170365829A1 (en) 2017-12-21
WO2016111606A1 (ko) 2016-07-14
US10374203B2 (en) 2019-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102016717B1 (ko) 전기화학소자용 분리막 및 상기 분리막을 포함하는 전기화학소자
KR101488829B1 (ko) 세퍼레이터의 제조방법, 이로부터 형성된 세퍼레이터 및 이를 포함하는 전기화학소자
KR101650417B1 (ko) 양극 집전체에 간헐적 무지부가 형성된 젤리 롤 형태 전극 조립체를 가진 이차전지
KR101915339B1 (ko) 분리막, 분리막-전극 복합체 및 이를 포함하는 전기화학소자
US20120225345A1 (en) Stack-type cell or bi-cell, electrode assembly for secondary battery using the same, and manufacturing method thereof
EP2808923A1 (en) Method for manufacturing separator, separator manufactured thereby, and electrochemical device including same
KR101834482B1 (ko) 전기화학소자용 분리막 및 이를 포함하여 안정성 및 성능이 향상된 전기화학소자
KR101894134B1 (ko) 셀룰로오스계 다층 분리막
KR20170093606A (ko) 분리막 및 이의 제조방법
KR20100051353A (ko) 중첩 전기화학소자
KR101896142B1 (ko) 열확산성 분리막 및 이를 포함하는 이차전지
KR20170073281A (ko) 이차 전지
KR20160054937A (ko) 세퍼레이터 및 이의 제조방법
KR101773103B1 (ko) 전극, 이의 제조방법, 이에 의해 제조된 전극 및 이를 포함하는 이차전지
KR101522451B1 (ko) 분리막의 제조공정 및 그 제조장치, 상기 분리막을 포함하는 전기화학소자
KR101521684B1 (ko) 분리막 제조공정 및 이에 따른 분리막을 포함하는 전기화학소자
KR101596491B1 (ko) 사이클 특성이 개선된 전기화학소자
KR20140041118A (ko) 세퍼레이터, 세퍼레이터의 제조방법 및 이를 포함하는 전기화학소자
KR102153008B1 (ko) 분리막-바인더층 복합체 및 이를 포함하는 이차전지 제조방법
KR20170120943A (ko) 전기화학소자용 세퍼레이터 및 이의 제조방법
KR101507499B1 (ko) 이차전지용 전극조립체
KR101929475B1 (ko) 이차전지용 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
KR101638112B1 (ko) 전극조립체 및 그를 포함하는 전기화학소자
KR101706364B1 (ko) 이차전지용 세퍼레이터
KR20220068742A (ko) 전극의 압연 장치 및 전극의 압연 방법

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