KR20170065923A

KR20170065923A - 이차전지용 분리막의 성능 평가 방법과, 이를 위한 평가 장치

Info

Publication number: KR20170065923A
Application number: KR1020150172296A
Authority: KR
Inventors: 김혜빈; 최영근; 오송택
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2017-06-14
Also published as: KR102041329B1

Abstract

본 발명은 이차전지용 분리막의 성능 평가방법 및 이를 위한 평가 장치에 관한 것으로, 구체적으로 공극률이 상이한 원단의 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 이용한 전해액 확산계수 변화를 측정함으로써, 공극률 별 분리막의 성능 정도를 측정할 수 있는 평가 방법과 이를 이용한 평가 장치에 관한 것이다.

Description

이차전지용 분리막의 성능 평가 방법과, 이를 위한 평가 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TESTING PERFORMANCE OF SEPARATOR FOR SECONDARY BATTERY}

본 발명은 이차전지용 분리막의 성능 평가방법 및 이를 위한 평가 장치에 관한 것으로, 구체적으로 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 이용하여, 전해액 내에서 리튬 이온의 확산계수 변화를 측정함으로써, 공극률 별 분리막의 성능을 평가할 수 있는 방법과 이를 위한 평가 장치에 관한 것이다.

최근 에너지 저장 기술에 관한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용 분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.

전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목을 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 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 1990년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 탄소재 등의 음극, 리튬 함유 산화물 등의 양극, 상기 음극과 양극 사이에 개재되는 분리막 및 혼합 유기용매에 리튬염이 적당량 용해된 전해액이 전지 케이스 내에 구비됨으로써 제조된다.

이러한 리튬 이차전지의 구성 요소 중, 분리막은 리튬이차전지의 양극과 음극의 접촉에 의한 내부 단락을 방지하고 이온을 투과시키는 역할을 하는 주요 구성요소로서, 그 자체로서는 충ㆍ방전시 전기화학적 반응에 참여하지는 않지만, 원단 재질, 및 원단 내부의 공극률에 따른 이질적인 표면 굴곡도 (tortuosity) 등에 따라 전지의 사이클 성능 등에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

지금까지 분리막의 성능 평가는 대부분 ASTM D4284-92 방법 등을 이용하여 공극률을 측정하는 방법을 사용하였다. 하지만, 이러한 방법 들은 측정 과정이 복잡할 뿐만 아니라, 상기 공극률만으로 분리막의 성능을 예측해야 하기 때문에, 제조 공정상 적절한 방법이라 할 수 없다.

따라서, 원단에 따른 분리막 성능을 직접적인 방법으로 보다 정확하게 측정할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.

대한민국 특허공개공보 제10-2012-0003203호 대한민국 특허공개공보 제10-2015-0050518호

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 분리막의 성능을 보다 쉽게 직접적으로 평가할 수 있는 방법을 연구, 노력한 결과, 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 제조하고, 이를 전해액 내의 리튬 이온의 확산계수 측정 장치에 이용하는 경우, 전해액 내의 리튬 이온의 확산계수의 변화 측정만으로 분리막의 성능을 손쉽게 평가할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 방법을 실시하기 위한, 분리막 성능 평가장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는,

분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 두 개의 전극을 제조하는 단계;

상기 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 두 개의 전극을 ‘W’형태의 대칭셀(symmetric cell)의 양 끝단에 각각 형성하는 단계;

상기 대칭셀에 전해액을 주입하여, 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 두 전극이 전해액에 침지된 ‘W’형태의 대칭셀을 제조하는 단계;

상기 대칭셀에 전류를 공급하여, 상기 두 전극 간 리튬 이온의 농도 구배를 형성시키는 단계; 및

상기 대칭셀에 공급되는 전류를 차단한 후, 시간에 따른 전압 프로파일을 취득하여 전해액 내에서의 리튬 이온의 확산계수를 산출하는 단계;를 포함하는 분리막 성능 평가 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에서는

전극들 간의 직선거리 조절이 가능한 ‘W’형태의 대칭셀;

분리막 내에 봉입되어, 상기 ‘W’형태의 대칭셀의 양 끝단에 배치된 전극;

상기 두 전극을 침지시키기 위하여 ‘W’형태의 대칭셀에 주입된 전해액;

절연된 상태로, 상기 전극에 전기적으로 접속된 단자;

상기 대칭셀에 전류를 공급하는 전류 공급 수단;

상기 대칭셀의 전압을 측정하는 전압 측정 수단;을 포함하는 분리막의 성능 평가장치를 제공한다.

이러한 본 발명의 평가 방법 및 평가 장치를 이용하는 경우, 전해액 내의 리튬 이온의 확산계수 변화를 통해 분리막의 공극률 및 굴곡도에 따른 성능 평가가 가능하다. 따라서, 분리막을 구비한 이차전지 제조 시에 셀 출력 특성에 대한 예측이 가능하므로, 향후 이차전지 제조 공정에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하기 위한 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 이러한 도면에 기재된 사항으로만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 이용한 대칭셀의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 측정한 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 이용한 전해액 확산계수를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 측정한 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극에 대한 전해액 확산 저항값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 종래 방법으로 측정한 분리막에 대한 전해액 확산계수를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

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.

종래에는 전해액 내의 리튬 이온 확산계수를 측정하기 위한 장치의 중앙에 분리막을 도입하는 방법을 사용하여 분리막 성능을 평가하는 방법이 제안되었다. 하지만, 이러한 방법은 전해액 확산계수 계산에 필요한 리튬 전극 간의 거리를 일정하게 유지하기 어려울 뿐만 아니라, 이로 인해 리튬 전극 간의 정확한 반응을 기대하기 어렵고, 또한 측정 과정 시에 노이즈가 다량 발생하기 때문에, 공정 상 적절한 방법이라 할 수 없다.

이에, 본 발명에서는 실제의 전지 구동과 유사한 조건하에서 리튬 전극 간의 반응에 따른 전해액 내에서의 리튬 이온의 확산계수를 측정할 수 있는 장치에 공극률이 상이한 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 도입함으로써, 간편하게 분리막의 성능을 평가할 수 있는 분리막 성능 평가 방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서는 상기 평가 방법을 위한 분리막 성능 평가 장치를 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 일실시예에서는

상기 대칭셀에 공급되는 전류를 차단한 후, 시간에 따른 전압 프로파일을 취득하여 전해액 내에서의 리튬 이온의 확산계수를 산출하는 단계;를 포함하는 분리막의 성능 평가 방법을 제공한다.

상기 본 발명의 방법에 있어서, 상기 전극은 장방형일 수 있다. 나아가, 상기 전극은 리튬 금속을 포함할 수 있다. 이때, 상기 전극에 리튬 금속 외에 다른 금속을 사용하게 되면, 전극 자체에서 발생한 이온의 확산으로 인하여 전해액만의 확산계수를 명확히 측정할 수 없게 된다.

또한, 본 발명의 방법에 있어서, 사용되는 분리막은 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 이루어진 다공성 부직포, 또는 폴리올레핀계 다공성 고분자 필름을 단독으로 또는 2층 이상 적층하여 사용할 수 있으며, 나아가 상기 폴리올레핀계 다공성 고분자 필름 표면에 무기물 입자를 함유한 다공성 코팅층이 추가로 형성된 분리막을 이용할 수 있다.

이때, 도 1을 참고하여, 상기 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극의 제조 방법을 설명할 수 있다. 구체적으로, 상기 본 발명의 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극은 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.

전극(1) 양면에 절연 필름(2)을 부착하는 단계;

상기 절연 필름이 부착된 전극(1)을 하단부 반응 면적이 1x1㎠이 되도록 손잡이 부분과 일체형으로 절단하는 단계;

상기 전극 일면에 부착된 절연 필름을 제거하여 반응을 위한 전극 타면을 노출시키는 단계; 및

직사각형 모양의 분리막 필름(5) 중앙부에 상기 전극을 위치한 다음, 전극을 중심으로 분리막 필름을 반으로 절곡하여 밀봉(sealing)(7)하는 단계.

이때, 상기 절연 필름은 리튬 전극의 일면에 부착되어 리튬 전극의 반응 면적을 제어하기 위하여 부착된 필름으로서, 구체적으로 이미드 필름을 사용할 수 있다.

상기 분리막은 분리막 필름의 중심부에 전극을 위치시키고, 분리막 필름의 중심부, 즉 전극을 중심으로 양쪽이 대칭되는 형태로 절곡될 수 있다.

상기 분리막은 전극을 봉입할 수 있도록 전극 전체 면적을 기준으로 약 30 내지 50%를 초과하는 면적을 가질 수 있다. 이때, 상기 분리막 면적이 30% 이하인 경우, 분리막을 밀봉하기 위하여 열을 가할 때 전극에 열이 가해지거나, 전극을 충분히 봉입하기 어렵다는 단점이 있다. 한편, 상기 분리막 면적은 대칭셀의 넥(neck)을 통과하여 장착되기 용이하도록, 50% 이내인 것이 바람직하다.

상기 분리막 밀봉 단계는 절곡된 분리막 필름의 중심부를 제외한 3 면에 열을 가하여 실시할 수 있다. 이때, 전극에는 열이 가해지지 않도록 주의해야 한다.

이러한 방법에 의해 제조된 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극은 위쪽에 집게(3)를 장착하여 고정할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 방법에서는 분리막을 전극과 전극 사이의 중앙 부분에 위치시키는 대신, 전극을 봉입한 형태로 도입함으로써, 리튬 전극의 특성상 휘어지는 문제점을 방지하여 전극 고정 효과와 동시에, 전해액 내에서 리튬 이온의 확산계수를 측정하기 위해 필요한 리튬 전극 간의 거리를 일정하게 유지할 수 있다. 따라서 리튬 전극 간의 정확한 반응을 기대할 수 있고, 측정과정 시에 노이즈가 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있다.

한편, 상기 본 발명의 방법은 정전류 분극법 (Galvanostatic Polarization)을 사용하여 다양한 조건에서 분리막의 굴곡도 특성에 따른 전해액 내에서 리튬 이온의 확산계수 측정이 가능하다.

상기 정전류 분극법이란, 대칭셀에 이온 영동 (migration)이 형성되지 않도록 매우 작은 전류를 공급하여, 두 전극간 리튬 이온의 농도 구배를 형성시킨 후, 전류를 차단한 후 시간에 다른 전압 프로파일 (voltage profile)을 측정하여, 전해액 내의 리튬 이온의 확산계수를 산출하는 방법이다. 그러나 이때 두 전극 간 거리가 가까우면 전류를 공급하는 동안 충분한 리튬 이온 농도의 구배가 형성되지 않기 때문에 정확한 측정이 어렵다.

이를 해결하기 위하여, 본 발명의 방법에서는 전극들 간의 직전거리 조절이 가능한 ‘W’형태인 휴대용의 대칭셀(symmetric cell)을 사용할 수 있다.

상기 대칭셀은 휴대하기 간편한 크기로 제작되어, 챔버에서 측정이 가능하기 때문에, 다양한 온도에서 전해액 내에서의 리튬 이온의 확산계수를 측정할 수 있는 이점이 있다.

상기 대칭셀을 구성하는 전해액과 전극은 수분과 공기 중에 노출되면 쉽게 오염되는 성분이기 때문에, 이를 방지하기 위해 대칭셀 제조시, 먼저 양끝단에 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 형성시키고, 양 끝단을 반드시 완벽히 실링해야 한다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 대칭셀의 제조 단계를 구체적으로 설명할 수 있다.

먼저, 본 발명에서는 상술한 방법에 따라 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 두 개의 전극(11)을 제조한다.

이어서, 양 끝단과 중앙에 각각 3개의 관 형태의 넥(19-1, 19-2)을 구비한 유리 재질의 `W`형태의 셀(19)을 준비한다.

상기 두 개의 전극(11)을 각각 `W`형태의 대칭셀(13)의 양 끝단의 넥(19-1)에 삽입하여 형성한다. 이때, 전극 상부는 sus 재질의 집게(13)로 잡아 고정하고, 그 윗부분을 전류/전압 케이블(15)을 연결하여 실험할 수 있도록 하였다.

이어서, 두 개의 전극(11)이 형성된 양 끝단을 파라 필름을 이용하여 완벽하게 실링한다.

이때, 상기 두 전극간 직선거리는 리튬 이온의 농도 구배가 명확하게 형성될 수 있도록 0.1 내지 15cm일 수 있다. 이때, 전극 간 거리는 문헌상 전해액의 확산과 전류 인가 후 휴지 기간의 시간의 곱 이상으로 설정되어야 한다. 따라서, 그 값은 대략적으로 0.1cm 이상이어야 한다. 또한, 실험의 재현상 휴지 기간이 지나치게 길 경우, 정확한 전압 프로파일을 얻을 수 없으므로 최대 15cm 이내로 설정하여야 한다.

그 다음으로, 실링되지 않은 `W`형태의 대칭셀(19)의 중간 주입구(19-2)를 통해 전해액(17)을 주입하여 전극을 침지시킨 다음, 상기 중간 주입구를 파라 필름으로 실링한다.

이때, `V`형태 또는 `U`형태의 대칭셀의 경우는, `W`형태의 대칭셀처럼 실링되지 아니한 중단 부분이 존재하지 않기 때문에, 양 끝단에 전극을 형성시킨 후에는 전해액의 주입이 불가능하고, 미리 전해액을 주입한 후, 전극을 형성시키게 되면, 전극 또는 전해액이 오염되는 것을 방지할 수 없어, 대칭셀의 안정성을 확보할 수 없게 되는 문제점이 있다. 따라서, 상기 대칭셀은 반드시 `W`형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 방법에서는 상기 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 두 전극을 전해액에 침지한 다음, 상기 대칭셀에 전류를 공급하여, 상기 두 전극간 리튬 이온의 농도 구배를 형성시킬 수 있다.

이때 사용되는 전해액은 당 분야에 통상적으로 사용되는 재료를 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 이온화 가능한 리튬염 및 비수성 유기용매를 포함하는 비수성 전해액을 이용할 수 있다.

또한, 상기 대칭셀에 공급하는 전류는 대칭셀에 이온 영동 (migration)이 형성되지 않도록 0.01 내지 0.3 mAh/㎠ 일 수 있다.

또한, 본 발명의 방법에서는 상기 침지 시에 상기 분리막에 봉입된 전극이 전해액에 충분히 적도록 함으로써, 전극을 안정화시킨 후 전류를 공급하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 방법에서는 상기 대칭셀에 공급되는 전류를 차단한 후, 시간에 따른 전압 프로파일을 취득하고, 전압 프로파일로부터 하기 식1의 식을 이용하여 전해액 내에서의 리튬 이온의 확산계수를 산출한다.

[식 1]

상기 식에서,

c: 전해액의 농도

A_n: Fourier series coefficients

Dt: 확산 계수 (cm²/s)

α: 셀의 길이 (전극간 거리, cm)

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에서는

전극들 간의 직선거리 조절이 가능한 ‘W’형태의 대칭셀 (symmetric cell);

상기 두 전극을 침지시키기 위한, ‘W’형태의 대칭셀에 주입된 전해액;

절연된 상태로, 상기 전극에 전기적으로 접속된 단자;

상기 대칭셀에 전류를 공급하는 전류 공급 수단;

전술한 바와 같은 본 발명의 분리막 성능 평가 방법 및 평가 장치를 사용하는 경우, 분리막 원단의 공극률 및 굴곡도에 따른 전해액 확산계수의 비율 및 확산 저항의 차이를 오차 범위 5% 이내의 정밀도로 검측이 가능하다는 특징이 있다. 따라서, 기존의 방법과 달리 분리막 특성에 따른 셀 출력 예측이 가능하다는 장점이 있다.

이하, 다음 실시예에 의거하여 본 발명은 더욱 상세히 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

실시예

실시예 1.

(분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극(1) 제조)

리튬 금속 양면에 절연을 위한 절연 필름(이미드 필름)을 부착한 다음 하단의 전극 반응 면적이 1x1㎠이 되도록 손잡이 부분과 일체형으로 절단하였다. 이어서, 상기 전극 일면에 부착된 절연 필름을 제거하여 전극 일면을 노출시켰다.

그 다음으로, 전극 전체 면적에 대하여 약 30% 초과한 면적의 직사각형 모양의 분리막 원단(공극률 43%, 폴리올레핀계 다공성 고분자 필름)을 준비하고, 상기 분리막 원단 중앙부에 상기 전극을 위치시킨 다음, 분리막 원단의 중심부를 반으로 절곡하고 열을 가해 밀봉하였다. 그 결과 티백 모양의 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극(1)이 제조되었다.

이어서, sus 재질의 집게를 이용하여 전극 상부를 잡아 고정하였다. 그리고 전극 상부와 상기 집게를 절연 필름으로 감싸 절연하였다.

(대칭셀 제조)

양 끝단과 중앙에 각각 3 개의 관 형태의 넥을 가지고 있으며, 두 전극간 직선거리는 10cm인 유리 재질의 `W`형태의 셀을 준비하고, 상기 두 개의 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 각각 `W`형태의 대칭셀의 각각 양 끝단의 넥에 삽입하여 형성한 다음, 양 끝단을 파라 필름을 이용하여 완벽하게 실링하였다.

이때, 상기 전극의 상부는 sus 재질의 집게로 잡고, 그 윗부분은 전류/전압 케이블을 연결하여 실험할 수 있도록 하였다.

그 다음으로, 아직 실링되지 않은 중간 주입구를 통해 2.18 x 10^-6㎠의 확산계수값을 가지는 전해액을 주입하고, 주입구를 파라 필름을 이용하여 실링하여 대칭셀을 제조하였다

실시예 2.

공극률이 38%인 분리막 원단을 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극(2) 및 이를 이용한 대칭셀을 제조하였다.

실시예 3.

공극률이 30%인 분리막 원단을 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극(3) 및 이를 이용한 대칭셀을 제조하였다.

비교예 1.

전극 반응 면적이 1x1㎠인 리튬 금속을 양쪽 끝단에 형성하고, 양 끝단을 파라 필름을 이용하여 완벽하게 실링하였다.

그 다음으로, 아직 실링되지 않은 대칭셀의 중간 주입구 지점에 공극률이 43%인 분리막 원단을 단독으로 고정시켰다.

이어서, 상기 중앙 주입구를 통해 2.18 x 10^-6㎠의 리튬 이온 확산계수값을 가지는 전해액을 주입하고, 주입구를 파라 필름을 이용하여 실링하여 대칭셀을 제조하였다.

비교예 2.

공극률이 38%인 분리막 원단을 사용하는 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 마찬가지의 방법으로 분리막이 리튬 전극 가운데 지점에 고정된 대칭셀을 제조하였다.

비교예 3.

공극률이 30%인 분리막 원단을 사용하는 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 마찬가지의 방법으로 분리막이 리튬 전극 가운데 지점에 고정된 대칭셀을 제조하였다.

실험예 1.

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 각각의 대칭셀에 0.01 내지 0.3 mAh/㎠의 전류를 공급하여, 상기 두 전극간 리튬 이온의 농도 구배를 형성시켰다.

그 다음으로, 상기 대칭셀에 공급되는 전류를 차단한 후, 시간에 따른 전압 프로파일을 취득하여 전해액 내에서의 리튬 이온의 확산계수를 산출하였다.

그 결과를 도 3 및 5에 나타내었다.

도 5를 참고하면, 비교예 1 내지 3의 대칭셀의 경우 중앙에 위치한 분리막에 의해 리튬 전극 간의 정확한 반응을 기대하기 힘들며, 이에 따라 분리막의 공극률에 따른 전해액 내에서의 리튬 이온의 확산계수가 거의 차이가 없을 것을 알 수 있다.

반면에, 도 3을 참고하면, 본 발명의 대칭셀을 이용하여 보다 안정적인 전압 프로파일 (voltage profile)을 통해 얻은 전해액 내에서의 리튬 이온의 확산계수는 분리막의 공극률에 따라 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

즉, 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 이용한 대칭셀의 전해액 내의 리튬 이온 확산계수를 측정하면, 전해액 본래의 리튬 이온 확산 계수보다 더 낮은 확산계수 값을 나타내는데, 이때 분리막 내의 굴곡도가 좋은 분리막일수록 본래의 전해액의 확산 계수 값에 가까운 큰 확산 계수 값을 가지게 된다는 것을 예측할 수 있다. 따라서, 전해액 내에서의 리튬 이온의 확산계수 값이 1에 가까운 실시예 1의 분리막의 공극률이 가장 높고, 분리막의 굴곡도가 가장 작은 고출력 분리막을 의미하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 하기 식 2를 참고하여 예측할 수 있다.

[식 2]

≒ 1

실험예 2.

USABC Freedom CAR Battery Test Manual에 제안된, 하이브리드 자동차의 평가에 주로 활용되는 HPPC (Hybrid Pulse Power Characterizaiton) 시험 방법을 이용하여 실시예 1 내지 3에서 제조된 대칭셀의 확산 저항값을 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

이때, 상기 방법은 특정 SOC의 단위셀에 5C의 정전류(Constant Current, CC)로 10초간 방전한 다음 40초 휴지 시간을 주어 10초 방전 출력값으로 환산할 수 있다. 여기서, 10초 방전출력의 의미는 해당 출력값으로 방전하면 10초 이후에 Cut-off 조건에 도달하는 방법으로, 이러한 방법으로 10초 동안 저항을 계산하고, 0.1초 이후의 저항 변화를 통하여 확산 저항을 계산할 수 있다.

도 4를 참고하여, 셀 평가 결과, 공극률이 가장 높은 실시예 1의 대칭셀의 확산 저항 값이 가장 낮은 것을 알 수 있다.

종래 셀 출력 특성은 분리막의 공극률 및 공극 구조에 따른 내부 굴곡도에 따라 변화하기 때문에, 분리막의 공극률만으로는 예측하기 어려웠다. 본 발명에서는 분리막의 굴곡도에 따라 변화되는 전해액 내의 리튬 이온 확산계수를 측정할 수 있는 방법을 제공하여, 이러한 방법으로 얻은 결과로부터 실제 셀 출력 특성을 예측할 수 있다. 따라서, 향후 이차전지 제조 공정 시에 유용하게 사용될 수 있다.

1, 11: 리튬 전극
2: 절연 필름
3, 13: 집게 (sus wire)
15: 케이블
17: 전해액
19-1: 전극 삽입용 넥(neck)
19-2: 전해액 주입용 넥 (neck)
19: ‘W’형태의 대칭셀

Claims

분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 두 개의 전극을 제조하는 단계;
상기 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 두 개의 전극을 ‘W’형태의 대칭셀의 양 끝단에 각각 형성하는 단계;
상기 대칭셀에 전해액을 주입하여, 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 두 전극이 전해액에 침지된 ‘W’형태의 대칭셀을 제조하는 단계;
상기 대칭셀에 전류를 공급하여, 상기 두 전극간 리튬 이온의 농도 구배를 형성시키는 단계; 및
상기 대칭셀에 공급되는 전류를 차단한 후, 시간에 따른 전압 프로파일을 취득하여 전해액 내에서의 리튬 이온의 확산계수를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전극은 리튬 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 전극을 제조 단계는
전극 양면에 절연 필름을 부착하는 단계;
상기 절연 필름이 부착된 전극을 하단부 반응 면적이 1x1㎠이 되도록 손잡이 부분과 일체형으로 절단하는 단계;
상기 전극 일면에 부착된 절연 필름을 제거하여 반응을 위한 전극 타면을 노출시키는 단계; 및
직사각형 모양의 분리막 필름 중앙부에 상기 전극을 위치한 다음, 전극을 중심으로 분리막 필름을 반으로 절곡하여 밀봉하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 절연 필름은 이미드 필름인 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 분리막은 전극의 전체 면적을 기준으로 30 내지 50% 초과한 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 분리막 밀봉 단계는 열을 가하여 절곡된 부분을 제외한 분리막의 3면이 밀봉되도록 실시하는 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 대칭셀은 양 끝단과 중앙에 3개의 관 형태의 넥을 구비한 유리 재질로 이루어진 `W`형태의 셀인 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 대칭셀 제조 단계는
양 끝단과 중앙에 3개의 관 형태의 넥을 구비한 유리 재질로 이루어진 `W`형태의 셀을 준비하는 단계;
분리막에 의해 둘러싸여 봉입된 두 개의 전극을 각각 `W`형태의 대칭셀의 양 끝단의 넥에 삽입하여 형성하는 단계;
상기 전극이 삽입된 양 끝단의 넥을 실링하는 단계;
실링되지 않은 대칭셀의 중간 주입구를 통해 전해액을 주입하는 단계; 및
상기 대칭셀의 중간 주입구를 실링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 두 전극 간의 직선거리는 0.1 내지 15cm인 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 대칭셀에 공급되는 전류는 0.01 내지 0.3 mAh/㎠인 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가 방법.
분리막 내에 봉입되어, 양 끝단에 배치된 전극;
전극들 간의 직선거리 조절이 가능한 ‘W’형태의 대칭셀;
분리막 내에 봉입되어, 상기 ‘W’형태의 대칭셀의 양 끝단에 배치된 전극;
상기 두 전극을 침지시키기 위한, ‘W’형태의 대칭셀에 주입된 전해액;
절연된 상태로, 상기 전극에 전기적으로 접속된 단자;
상기 대칭셀에 전류를 공급하는 전류 공급 수단;
상기 대칭셀의 전압을 측정하는 전압 측정 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막의 성능 평가장치.