KR20180112890A - Separators for Batteries Having Single-layered Coating of Polymeric Particles and Preparation Method Thereof - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a separator for having a single-layer polymer particle coating layer and a manufacturing method thereof. According to the present invention, a polymer particle having charge is arranged or coated in a single layer on a polymer membrane substrate to provide an effect of suppressing a battery performance degradation phenomenon due to diffusion of charge-retaining species generated by a reaction in a battery (e.g., lithium-sulfur secondary battery).

Description

단층의 고분자 입자 코팅층을 갖는 전지용 분리막 및 이의 제조방법{Separators for Batteries Having Single-layered Coating of Polymeric Particles and Preparation Method Thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a separator for a battery having a single-layer polymer particle coating layer and a method for manufacturing the separator.

본 개시 내용은 단층의 고분자 입자 코팅층을 갖는 전지용 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 고분자 멤브레인 기재 상에 전하를 갖는 고분자 입자가 단층으로 배열되거나 코팅되어 전지(예를 들면, 리튬-황 2차 전지) 내에서 반응에 의하여 생성되는 전하-보유 종들의 확산에 따른 전지 성능 저하 현상을 억제하는 효과를 제공할 수 있는 전지용 분리막 및 이를 제조하기 위한 신규의 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a separator for a battery having a single-layer polymer particle coating layer and a method for producing the same. More specifically, the present disclosure relates to a method of forming a polymer membrane, wherein polymer particles having charge on the polymeric membrane substrate are arranged or coated in a single layer to form charge-retaining species (e.g., lithium-sulfur secondary cells) The present invention relates to a separator for a battery which can provide an effect of suppressing the deterioration of battery performance due to diffusion and a novel method for manufacturing the same.

최근, 스마트폰, 태블릿 PC 및 노트북과 같은 휴대형 전자 기기 및 전기 자동차 등에 대한 수요가 증가하고, 화석 에너지 사용으로 인한 온실 가스 등의 환경 오염 문제의 해결 방안에 대한 전세계적 관심으로 인하여 친환경 에너지 저장기술이 각광받고 있다.In recent years, demand for portable electronic devices such as smart phones, tablet PCs and notebooks and electric vehicles has increased, and global interest in solving environmental pollution problems such as greenhouse gases caused by the use of fossil energy has led to the development of environment- Is getting popular.

특히, 각종 전자 기기의 고급화, 소형화 및 경량화, 그리고 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 개발 추세에 수반하여 전자 기기, 전기 자동차 등에 적용 가능한, 고효율, 고출력, 고에너지 밀도 및 경량 특성을 갖는 에너지 저장 장치가 요구되고 있다. 이러한 에너지 저장 장치의 대표적인 예는 충방전이 가능한 2차 전지인 바, 이동통신 및 휴대용 전자 기기와 관련한 기술이 급격히 발전함에 따라 2차 전지의 수요는 점차 증대되고 있으며, 특히 전지의 용량 밀도, 비에너지 등의 성능을 개선하기 위한 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다. Particularly, an energy storage device having high efficiency, high output, high energy density and light weight characteristics applicable to electronic devices, electric vehicles, and the like with the trend of development of various electronic devices, miniaturization and light weight, and development trends of hybrid vehicles and electric vehicles Is required. As a representative example of such an energy storage device is a secondary battery capable of charging and discharging, a mobile communication, and a portable electronic device, the demand for a secondary battery is gradually increasing, and in particular, Research and development to improve the performance of energy and the like are continuously being carried out.

현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 2차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 현저히 높다는 장점을 갖고 있기 때문에 세계 2차 전지 시장의 60% 이상의 점유율을 차지하고 있고, 많은 기업 및 연구기관에서 리튬 2차 전지의 성능 개선에 주력하고 있다. Among the currently applied rechargeable batteries, the lithium secondary battery developed in the early 1990s has a higher operating voltage and a significantly higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd and sulfuric acid-lead batteries using an aqueous electrolyte solution , Which accounts for more than 60% of the global rechargeable battery market, and many companies and research institutes are focusing on improving the performance of lithium secondary batteries.

일반적으로, 리튬 2차 전지는 양극(캐소드)과 음극(애노드) 간에 비수성 유기 용매에 용해된 LiPF6 등의 리튬염으로 이루어지는 전해액이 채워져 있는 기본 구성을 갖고 있다. 양극에는 리튬 전이금속 산화물, 그리고 음극은 주로 탄소계 물질로 이루어져 있다. 리튬 이온은 충전 중에는 양극에서 음극으로, 그리고 방전 중에는 이의 역방향으로 이동한다. 또한, 리튬 2차 전지 내에는 양극과 음극 사이에는 양극과 음극의 직접적인 접촉을 방지하여 내부 단락을 방지하고, 충전 및 방전 중에 리튬이온의 이동 통로를 제공할 수 있는 분리막이 배치된다. 이러한 분리막의 경우, 일반적으로 (i) 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 고분자 재질로 이루어지는 미세다공성 고분자 멤브레인, (ii) 부직포, (iii) 세라믹(또는 세라믹 복합 재료) 재질이 알려져 있으며, 특히 고분자계 분리막이 주류를 이루고 있다. Generally, a lithium secondary battery has a basic configuration in which an electrolyte composed of a lithium salt such as LiPF 6 dissolved in a non-aqueous organic solvent is filled between a cathode (cathode) and a cathode (anode). The anode is made of lithium-transition metal oxide, and the cathode is made mainly of carbon-based material. Lithium ions move from the anode to the cathode during charging and to the opposite direction during discharge. In addition, in the lithium secondary battery, a separation membrane is disposed between the anode and the cathode so as to prevent direct contact between the anode and the cathode to prevent an internal short-circuit, and to provide a path of lithium ion migration during charging and discharging. In the case of such a separator, generally, (i) a microporous polymer membrane made of a polymer material such as polyethylene or polypropylene, (ii) a nonwoven fabric, and (iii) a ceramic (or ceramic composite material) It is mainstream.

그러나, 종래에 상용화된 리튬 2차 전지는 유기 전해액 사용에 따른 발화/폭발 위험성이 존재하고, 제조 공정이 복잡하기 때문에 리튬 고분자 2차 전지 등이 개발되었으나 여전히 기술적 개선 필요성이 존재한다. However, lithium secondary batteries commercialized in the past have a risk of ignition / explosion due to the use of organic electrolytic solutions, and lithium secondary batteries have been developed due to the complicated manufacturing process, but there is still a need for technical improvement.

이러한 요구를 충족하기 위하여 개발된 기술로서 리튬-황 2차전지, 리튬-공기 전지 등을 들 수 있다. 특히, 리튬-황 2차 전지는 양극 활물질로서 황을 사용하는 한편, 음극 활물질로 리튬과 같은 알칼리 금속 또는 리튬 이온과 같은 금속 이온의 삽입 및 탈삽입이 일어나는 탄소계 물질을 음극 활물질로 사용함으로써 리튬과 유황 간의 반응에 의하여 충·방전하는 전지를 가리킨다. 리튬-황 2차전지의 경우, 환원 반응인 방전 시에는 황-황 결합이 끊어지면서 황의 산화수가 감소하고, 산화 반응인 충전 시에는 황의 산화수가 증가하면서 황-황 결합이 다시 형성되는 산화-환원 반응을 이용하여 전기적 에너지를 저장하고 생성한다. Techniques developed to meet such demands include lithium-sulfur secondary batteries and lithium-air batteries. In particular, a lithium-sulfur secondary battery uses sulfur as a cathode active material and a carbon-based material in which an alkali metal such as lithium or a metal ion such as lithium ion is inserted and removed as a negative electrode active material, Refers to a battery that charges and discharges by the reaction between sulfur and sulfur. In the case of the lithium-sulfur secondary battery, the reduction of the sulfur-sulfur bond during the reduction reaction causes a decrease in the oxidation number of sulfur, and in the oxidation reaction, the oxidation- The reaction is used to store and generate electrical energy.

리튬-황 전지는 음극 활물질로 사용되는 리튬 금속을 사용할 경우 에너지 밀도가 약 3,830 mAh/g이고, 양극 활물질로 황(S8)을 사용할 경우 에너지 밀도가 약 1675 mAh/g인 만큼, 에너지 밀도 면에서 유망하고, 전극 재료(양극 활물질로 사용되는 황)가 저렴하면서 환경 친화적 특성을 갖는다. 특히, 상용 리튬이온 전지의 에너지밀도에 비하여 약 4 내지 5배의 높은 에너지 밀도를 갖는다는 것이 장점이다. The lithium-sulfur battery has an energy density of about 3,830 mAh / g when lithium metal is used as an anode active material, and an energy density of about 1675 mAh / g when sulfur (S 8 ) is used as a cathode active material. , And the electrode material (sulfur used as the cathode active material) is inexpensive and has environment-friendly characteristics. In particular, it has an advantage that it has an energy density of about 4 to 5 times higher than the energy density of a commercial lithium ion battery.

그러나, 리튬-황 2차전지에 사용되는 분리막으로 종래의 분리막을 사용하는 경우 충ㅇ방전 사이클이 진행되는 동안 용해된 황과 음극의 리튬이 반응하여 리튬 전극이 부식되며 선택적 이온 투과도에 따른 저항증가가 발생하여 분리막으로 사용되는 다공성 기재의 기공 막힘으로 인해 장기적인 수명이 저하될 수 있다.However, when a conventional separation membrane is used as a separator used in a lithium-sulfur secondary battery, the dissolved sulfur reacts with the lithium in the negative electrode during the discharge cycle, so that the lithium electrode is corroded and the resistance depending on the selective ion permeability increases The porous substrate used as a separation membrane may have a long life due to pore clogging.

특히, 전지 작동 중 리튬 이온과 황과의 반응을 통하여 양극에서 생성되는 폴리설파이드(polysulfide; Sx)가 음극(애노드; Li 전극)으로 이동하여 부반응과 함께 전지의 효율을 저하시키며 나아가 수명 특성을 저하시키는 요인으로 작용한다(셔틀현상). 상술한 문제점을 완화시키기 위하여, 종래에 연료전지에 사용되고 있는 PFSA 멤브레인의 SO3H-기에 Li을 치환하여 리튬-황 2차 전지에 적용하는 연구가 시도된 바 있으며, 최근에는 전해액 내에서 해리되어 음전하를 갖는 고분자로 리튬 전극의 표면을 개질함으로써 전해액 내에 함유된 폴리설파이드 간의 접촉을 방지하는 기술이 개발되었다(국내특허공개번호 제2015-106253호).Particularly, the polysulfide (S x ) generated at the anode through the reaction between lithium ion and sulfur during the operation of the battery moves to the cathode (anode), thereby reducing the efficiency of the battery as well as the side reaction. (Shuttle phenomenon). In order to alleviate the above-described problems, studies have been made on applying Li to a lithium-sulfur secondary battery by replacing Li with the SO 3 H - group of a PFSA membrane which has been conventionally used in a fuel cell. Recently, A technique for preventing the contact between the polysulfide contained in the electrolytic solution by modifying the surface of the lithium electrode with a polymer having a negative charge has been developed (Korean Patent Publication No. 2015-106253).

또한, 분리막에 음전하 성분(또는 음이온기)을 혼입하거나(예를 들면, 미국특허공개번호 제2016-0218342호 및 제2015-0162586호) 또는 분리막 내에 리튬 이온보다는 크고 폴리설파이드 이온보다는 작은 채널 사이즈를 갖는 층을 도입하는 기술(예를 들면, 미국특허공개번호 제2015-0255769호 등)도 개발되었는 바, 이와 같이 2차전지 분야에서 전지의 특성(반응 메커니즘 등)에 따라 분리막의 표면 특성을 개질하거나 코팅하는 기술이 꾸준히 연구되고 있다. In addition, it is also possible to incorporate a negative charge component (or anion group) into the separation membrane (for example, U.S. Patent Nos. 2016-0218342 and 2015-0162586) or a membrane size larger than lithium ion and smaller than a polysulfide ion (For example, U.S. Patent Publication No. 2015-0255769) has also been developed. In this way, in the secondary battery field, the surface characteristics of the separator are modified according to the characteristics of the battery (reaction mechanism, etc.) Or coating techniques have been continuously studied.

분리막은 전지의 안전성 및 성능에 직접적인 영향을 미치는 핵심 구성 요소이며, 화학 반응에 관여하지 않더라도, 이의 구조 및 특성은 전지의 성능 및 수명, 특히 에너지 및 전류 밀도, 사이클 안정성 및 신뢰성에 중대한 영향을 미치게 된다. 특히, 리튬-황 2차전지 및 리튬-공기 전지와 같은 차세대 전지 시스템에서도 분리막의 역할은 대단히 크다고 할 수 있다. Membranes are a key component that directly affects the safety and performance of a battery. Even if they are not involved in a chemical reaction, their structure and characteristics can significantly affect the performance and lifetime of the cell, particularly energy and current density, cycle stability and reliability. do. Particularly, in the next-generation battery system such as a lithium-sulfur secondary battery and a lithium-air battery, the role of the separator is very large.

그러나, 리튬-황 2차전지 등과 관련한 종래 기술에서는 여전히 황의 로딩량에 따라 발생하는 폴리설파이드를 제어하기 힘들고 음전하의 반발력에 의한 확산의 제어라는 메커니즘을 확실하게 증명하기 곤란하다. 따라서, 분리막의 개선에 있어서 정확한 메커니즘의 이해에 기초하여 전지의 에너지 밀도를 높이면서도 수명 특성을 개선할 수 있는 신규의 분리막 제조 기술이 요구되고 있다.However, in the prior art related to lithium-sulfur secondary batteries and the like, it is difficult to control the polysulfide still generated depending on the amount of sulfur loaded and it is difficult to surely prove a mechanism of control of diffusion by the repulsive force of negative charge. Therefore, there is a demand for a new membrane production technology capable of improving the lifetime characteristics while increasing the energy density of the battery based on an understanding of the accurate mechanism in the improvement of the separation membrane.

따라서, 본 개시 내용의 일 구체예에서는 기존 방식과 차별화되면서 2차 전지의 분리막을 효과적으로 개질할 수 있는 신규의 제조 방법 및 다양한 2차 전지에 적용할 수 있는 분리막을 제공하고자 한다. Accordingly, in one embodiment of the present disclosure, there is a need to provide a novel manufacturing method capable of effectively modifying a separation membrane of a secondary battery while differentiating it from an existing system, and a separation membrane applicable to various secondary batteries.

또한, 본 개시 내용의 다른 구체예에서는 전술한 분리막을 구비한 리튬-황 2차 전지를 제공하고자 한다. In another embodiment of the present disclosure, there is provided a lithium-sulfur secondary battery having the above-described separation membrane.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면, According to a first aspect of the present disclosure,

a) 표면이 전하를 갖는 고분자 입자를 제공하는 단계;the method comprising: a) providing a polymer particle having a surface charge;

b) 상기 고분자 입자를 고분자 기재 상에 단층으로 배열시키는 단계;b) arranging the polymer particles in a single layer on a polymer substrate;

c) 이와 별도로, 베이스 멤브레인 구조의 적어도 일 면에 바인더 층을 형성하는 단계; 및 c) Separately, forming a binder layer on at least one side of the base membrane structure; And

d) 상기 고분자 기재 상에 배열된 단층의 고분자 입자를 상기 베이스 멤브레인 구조 상에 형성된 바인더 층에 물리적 결합을 통하여 전사함으로써 상기 고분자 입자를 단층으로 코팅하는 단계;d) transferring the polymer particles of the single layer arranged on the polymer substrate to the binder layer formed on the base membrane structure through physical bonding, thereby coating the polymer particles with a single layer;

를 포함하는 전지용 분리막의 제조방법이 제공된다.A method for manufacturing a separator for a battery.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면, According to a second aspect of the present disclosure,

a') 표면이 전하를 갖는 고분자 입자를 제공하는 단계;a ') providing a polymer particle having a charge on its surface;

b') 상기 고분자 입자를 고분자 기재 상에 단층으로 배열시키는 단계;b ') arranging the polymer particles in a single layer on a polymer substrate;

c') 이와 별도로, 상기 고분자 입자의 표면과 화학적으로 결합 가능하도록 적어도 일 면이 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조를 제공하는 단계; 및c ') Separately, providing a base membrane structure having at least one surface thereof surface-modified so as to be chemically bondable to the surface of the polymer particles; And

d') 상기 고분자 기재 상에 배열된 단층의 고분자 입자를 상기 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조와 반응시켜 상기 전하를 갖는 고분자 입자를 화학적 결합을 통하여 단층으로 코팅하는 단계;d ') reacting the polymer particles of the single layer arranged on the polymer substrate with the surface-modified base membrane structure to coat the polymer particles having the charge with a single layer through chemical bonding;

를 포함하는 전지용 분리막의 제조방법이 제공된다.A method for manufacturing a separator for a battery.

본 개시 내용의 제3 면에 따르면, According to a third aspect of the present disclosure,

베이스 멤브레인 구조; Base membrane structure;

상기 베이스 멤브레인 구조 상에 형성된 바인더 층; 및A binder layer formed on the base membrane structure; And

상기 바인더 층 상에 단층으로 배열되는, 표면이 전하를 갖는 고분자 입자 코팅층;A polymer particle coating layer arranged on the binder layer as a single layer and having a surface charge;

을 포함하며, / RTI >

상기 고분자 입자 코팅층은 바인더 층에 의한 물리적 결합을 통하여 상기 베이스 멤브레인 구조의 표면에 부착되어 있는 전지용 분리막이 제공된다.The polymer particle coating layer is attached to the surface of the base membrane structure through physical bonding by a binder layer.

본 개시 내용의 제4 면에 따르면,According to a fourth aspect of the present disclosure,

적어도 일 면이 반응성 관능기를 갖도록 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조; 및A base membrane structure having at least one surface modified to have a reactive functional group; And

상기 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조 상에 단층으로 배열된 고분자 입자 코팅층;A polymer particle coating layer arranged in a single layer on the surface modified base membrane structure;

을 포함하며,/ RTI >

상기 고분자 입자의 표면은 이온화에 의하여 양전하 또는 음전하를 갖는 관능기를 갖고,Wherein the surface of the polymer particle has a functional group having a positive charge or a negative charge by ionization,

상기 고분자 입자의 관능기는 상기 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조 상의 반응성 관능기와 반응하여 상기 고분자 입자가 상기 베이스 멤브레인 구조의 표면과 화학적 결합을 통하여 부착되어 있는 전지용 분리막이 제공된다.Wherein the functional groups of the polymer particles react with reactive functional groups on the surface-modified base membrane structure to attach the polymer particles to the surface of the base membrane structure through chemical bonding.

본 개시 내용의 제5 면에 따르면,According to a fifth aspect of the present disclosure,

황-함유 양극;A sulfur-containing anode;

리튬-함유 음극; A lithium-containing negative electrode;

상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 전술한 분리막; 및The above-described separation membrane disposed between the anode and the cathode; And

상기 양극과 상기 음극 사이에 충진된 액상 전해질;A liquid electrolyte filled between the anode and the cathode;

을 포함하며,/ RTI >

상기 고분자 입자 코팅층이 상기 양극을 향하도록 배치되어 있는 리튬-황 2차 전지가 제공된다.And the polymer particle coating layer is disposed so as to face the positive electrode.

일 구체예에 있어서, 상기 물리적 결합은 스탬핑(stamping) 방식에 의하여 형성될 수 있다.In one embodiment, the physical coupling may be formed by a stamping method.

일 구체예에 있어서, 상기 화학적 결합은 고분자 입자의 표면에 존재하는 카르복시기 및 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조 상의 히드록시기의 에스테르 반응에 의하여 형성될 수 있다. In one embodiment, the chemical bond may be formed by esterification of a carboxyl group present on the surface of the polymer particles and a hydroxy group on the surface modified base membrane structure.

예시적 구체예에 따르면, 상기 고분자 입자는 단분산 고분자 입자일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the polymer particles may be monodisperse polymer particles.

예시적 구체예에 있어서, 상기 고분자 입자의 표면은 이온화(또는 해리)에 의하여 음전하의 관능기를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the surface of the polymer particle may have a negatively charged functional group by ionization (or dissociation).

예시적 구체예에 있어서, 상기 음전하의 관능기는 설폰산기, 카르복시기, 인산기 또는 이의 조합일 수 있다.In an exemplary embodiment, the functional group at the negative charge may be a sulfonic acid group, a carboxyl group, a phosphoric acid group, or a combination thereof.

예시적 구체예에 있어서, 상기 고분자 입자는 폴리아크릴산 또는 이의 공중합체, 폴리메타크릴산 또는 이의 공중합체, 설폰화된 폴리스티렌 또는 이의 공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재질일 수 있다.In an exemplary embodiment, the polymeric particles can be of a material selected from the group consisting of polyacrylic acid or copolymers thereof, polymethacrylic acid or copolymers thereof, sulfonated polystyrenes or copolymers thereof, and combinations thereof .

예시적 구체예에 따르면, 상기 고분자 입자는 솔리드형, 중공형, 다공형, 다층형 또는 이의 조합일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the polymer particles may be solid, hollow, porous, multi-layered or a combination thereof.

예시적 구체예에 있어서, 상기 바인더 층의 재질은 폴리비닐알코올, 폴리아크릴아미드, 카세인, 젤라틴, 폴리아크릴산 또는 이의 공중합체, 폴리메타크릴산 또는 이의 공중합체, 설폰화된 폴리스티렌 또는 이의 공중합체, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.In an exemplary embodiment, the material of the binder layer is selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyacrylamide, casein, gelatin, polyacrylic acid or copolymers thereof, polymethacrylic acid or copolymers thereof, sulfonated polystyrene or copolymers thereof, Poly (3,4-ethylenedioxythiophene), and combinations thereof.

예시적 구체예에 있어서, 상기 베이스 멤브레인 구조는 다공성 폴리올레핀 재질일 수 있다.In an exemplary embodiment, the base membrane structure may be a porous polyolefin material.

예시적 구체예에 있어서, 상기 고분자 기재는 고무질 기재일 수 있다.In an exemplary embodiment, the polymeric substrate may be a rubbery substrate.

예시적 구체예에 있어서, 상기 고분자 기재는 폴리디메틸실록산(PDMS), SBS 고무, TPU, NBR, 하이드로겔, PUA, PVA, PI, PMMA, PVDF, SBR 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.In an exemplary embodiment, the polymeric substrate may be selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), SBS rubber, TPU, NBR, hydrogel, PUA, PVA, PI, PMMA, PVDF, SBR, .

예시적 구체예에 있어서, 리튬-황 2차 전지 내 전해질은 LiSCN, LiBr, LiI, LiNO3, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiClO4, Li(Ph)4, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3CF2SO2)2, LiAlCl4, LiB(C6H5)4, LiCF3SO3, LiN(FSO2)2 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.In the exemplary embodiment, a lithium-sulfur secondary battery the electrolyte is LiSCN, LiBr, LiI, LiNO 3 , LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6, LiAsF 6, LiCH 3 SO 3, LiCF 3 SO 3, LiClO 4, Li (Ph) 4, LiC ( CF 3 SO 2) 3, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2) 2, LiN (CF 3 CF 2 SO 2) 2, LiAlCl 4, LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (FSO 2 ) 2, and mixtures thereof.

본 개시 내용의 구체예에 따른 분리막의 제조방법은 베이스 멤브레인 구조 상에 전하를 갖는 고분자 입자를 단층으로 배열하는 방식으로 코팅하는 개질 방식을 제시한다. 그 결과, 전지의 메커니즘을 고려하여, 에너지 밀도를 상대적으로 제어할 수 있는 방안을 제공함으로써 최근 각광받고 있는 차세대 전지, 특히 리튬-황 2차전지, 리튬-공기 전지 등에 효과적으로 적용 가능하다.The method of manufacturing a separation membrane according to embodiments of the present disclosure suggests a modification method in which polymer particles having a charge on the base membrane structure are coated in a single layer arrangement. As a result, the present invention can be effectively applied to next-generation batteries, particularly lithium-sulfur secondary batteries and lithium-air batteries, which have recently been spotlighted by providing a measure for relatively controlling the energy density in consideration of the mechanism of the battery.

특히, 본 개시 내용에 따라 음전하를 갖는 고분자 입자가 부착된 분리막은 필름 형태의 코팅에 비하여 리튬 이온의 확산 저항을 효과적으로 억제할 수 있고, 그동안 리튬-황 2차 전지의 작동 중 리튬 이온이 황과 반응하여 양극에서 생성된 폴리설파이드가 음극으로 이동하여 야기되는 부반응, 그리고 전지 효율 및 수명의 저하 문제를 해결할 수 있는 장점을 갖는다. 더욱이, 고분자 입자의 중합 반응 시 단량체의 비율 등에 따라 음전하의 크기 또는 세기를 조절할 수 있기 때문에 분리막의 성상에 대한 제어능이 우수하다. 따라서, 향후 전지 사업의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다. Particularly, according to the present disclosure, the separation membrane having a polymer particle having a negative charge can effectively suppress the diffusion resistance of lithium ions as compared with a film-type coating. In the meantime, A side reaction caused by the reaction of the polysulfide produced in the anode to the cathode, and a problem of deterioration of cell efficiency and lifetime can be solved. Furthermore, since the size or intensity of the negative charge can be controlled according to the ratio of the monomers during the polymerization reaction of the polymer particles, the controllability against the property of the separation membrane is excellent. Therefore, it is expected to greatly contribute to the commercialization of the battery business in the future.

도 1은 본 개시 내용의 일 구체예에 따라 베이스 멤브레인 구조 상에 고분자 입자를 물리적 결합에 의하여 부착하는 일련의 과정을 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 2는 본 개시 내용의 다른 구체예에 따라 베이스 멤브레인 구조 상에 고분자 입자를 화학적 결합에 의하여 부착하는 일련의 과정을 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 3은 본 개시 내용의 일 구체예에서 베이스 멤브레인 구조에 음전하를 갖는 고분자 입자 코팅층을 형성한 분리막을 사용한 경우 및 고분자 입자 코팅층이 형성되지 않은 분리막을 사용한 경우에 있어서, 리튬-황 2차 전지 내에서 폴리설파이드의 이동 특성을 도시하는 도면이고;
도 4는 실시예 1에서 제조된 고분자 입자(poly(methacrylic acid-co-ethyleneglycol dimethacrylate; PME)의 주사전자현미경 사진이고;
도 5는 실시예 1에서 고분자 입자(PME)의 제조 시 단량체인 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA)의 함량(중량 기준) 변화에 따른 고분자 입자의 pH 변화 및 제타 포텐셜의 변화 거동을 나타내는 그래프이고;
도 6은 실시예 2에서 제조된 고분자 입자(sulfonated polystyrene)의 주사전자현미경 사진이고;
도 7은 실시예 3에서 베이스 멤브레인 구조 상에 고분자(PME) 입자가 단층으로 배열되어 있는 분리막 표면의 광학 현미경 사진(400 배)이고;
도 8은 실시예 5에서 베이스 멤브레인 구조 상에 고분자(설폰화된 폴리스티렌) 입자가 단층으로 배열되어 있는 분리막 표면의 광학 현미경 사진(400 배)이고;
도 9는 실시예 1에 따라 단량체인 메타크릴산(MMA)과 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA)의 중량 비를 변화시켜 제조된 고분자 입자를 사용하여 제조된 분리막 각각을 사용하여 제작된 리튬-황 2차 전지의 사이클 회수에 따른 전지 용량 변화를 나타내는 그래프이고; 그리고
도 10a 내지 도 10c 각각은 실시예 6에서 실시예 3에 따라 제조된 분리막 및 고분자 입자의 코팅층이 형성되지 않은 분리막을 사용하여 제작된 리튬-황 2차 전지의 제1 사이클 충방전 커브, 60 사이클까지의 전지 용량 변화, 및 60 사이클까지의 전지 효율을 나타내는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 schematically depicts a series of processes for attaching polymeric particles by physical bonding on a base membrane structure according to one embodiment of the present disclosure;
Figure 2 is a schematic diagram of a series of processes for attaching polymeric particles by chemical bonding on a base membrane structure according to another embodiment of the present disclosure;
FIG. 3 is a graph showing the results of measurement of the concentration of a lithium ion in a lithium-sulfur secondary battery in the case of using a separation membrane in which a polymer particle coating layer having a negative charge is formed in a base membrane structure in the embodiment of the present disclosure and a separation membrane in which a polymer particle coating layer is not formed. Lt; RTI ID = 0.0 > of < / RTI >polysulfide;
4 is a scanning electron micrograph of poly (methacrylic acid-co-ethyleneglycol dimethacrylate) (PME) prepared in Example 1;
5 is a graph showing changes in pH and zeta potential of polymer particles according to the content (by weight) of ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) as a monomer in the production of polymer particles (PME) in Example 1 ;
6 is a scanning electron micrograph of the polymer particles (sulfonated polystyrene) prepared in Example 2;
7 is an optical micrograph (400X) of the surface of the separation membrane in which Polymer (PME) particles are arranged in a single layer on the base membrane structure in Example 3;
8 is an optical micrograph (400X) of the separation membrane surface in which polymer (sulfonated polystyrene) particles are arranged in a single layer on the base membrane structure in Example 5;
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the weight ratio of methacrylic acid (MMA) and ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA), which are monomers used in Example 1, FIG. 2 is a graph showing changes in battery capacity due to cycle recovery of a sulfur secondary battery; FIG. And
10A to 10C show the first cycle charge / discharge curve of the lithium-sulfur secondary battery fabricated using the separation membrane prepared according to Example 6 to Example 3 and the separation membrane having no polymer particle coating layer, , And battery efficiency up to 60 cycles.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아님을 이해하여야 한다.The present invention can be all accomplished by the following description. The following description should be understood to describe preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not necessarily limited thereto. It is to be understood that the accompanying drawings are included to provide a further understanding of the invention and are not intended to limit the scope of the invention.

본 명세서에 있어서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.The terms used in this specification can be defined as follows.

"고분자"는 단일중합체 및 공중합체를 모두 포함하며, 공중합체는 랜덤 공중합체 및 블록 공중합체를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. &Quot; Polymer " includes both homopolymers and copolymers, and the copolymer can be understood to include random copolymers and block copolymers.

"단분산(monodisperse)"은 모든 입자가 실질적으로 동일한 사이즈를 갖는 상태 또는 시스템을 의미할 수 있다. &Quot; Monodisperse " may mean a state or system in which all particles have substantially the same size.

"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수 있다.The terms " on " and " on " are used to refer to the relative position concept, and include not only where other elements or layers are directly present in the layer referred to, Elements may be intervening or present.

이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. Similarly, the expressions "under", "under" and "under" and "between" may also be understood as relative concepts of position.

분리막의 제조Preparation of Membrane

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 표면에 전하(양전하 또는 음전하)를 갖는 고분자 입자, 구체적으로 단분산 고분자 입자를 분리막의 골격을 구성하는 베이스 멤브레인 구조의 적어도 일 면에 단층으로 부착(코팅)함으로써 2차 전지 내에서 반응에 의하여 생성된 전하-보유 종들의 확산을 억제할 수 있는 2차 전지용 분리막 및 이의 제조방법이 제공된다. According to a specific example of this disclosure, polymer particles having a charge (positive charge or negative charge) on the surface, specifically monodisperse polymer particles, are attached (coated) to at least one surface of a base membrane structure constituting the skeleton of the separation membrane as a single layer There is provided a secondary battery separator membrane capable of suppressing the diffusion of charge-retaining species generated by the reaction in the secondary battery, and a method of manufacturing the same.

일 예로서, 고분자 입자(또는 고분자 입자의 표면)가 갖는 전하의 세기는, 예를 들면 약 20 내지 50 mV, 구체적으로 약 30 내지 40 mV, 보다 구체적으로 약 32 내지 38 mV 범위일 수 있으며, 상기 범위에서 원하는 수준의 전하 세기를 선정하거나 조절할 수 있다. As an example, the intensity of the charge of the polymer particle (or the surface of the polymer particle) may range, for example, from about 20 to 50 mV, specifically about 30 to 40 mV, more specifically about 32 to 38 mV, The desired level of charge intensity can be selected or adjusted within the above range.

특정 구체예에 있어서, 고분자 입자는 음전하를 띄는 고분자 입자일 수 있는 바, 이때 음전하는, 예를 들면 설폰산기, 카르복시기, 인산기 등과 같이 음전하를 갖는 관능기로부터 유래된 것일 수 있고, 이때 음전하를 갖는 관능기의 조합으로부터 유래될 수도 있다. In a specific embodiment, the polymer particle can be a polymer particle having a negative charge, wherein the negative charge may be derived from a functional group having a negative charge such as a sulfonic acid group, a carboxyl group, a phosphoric acid group and the like, ≪ / RTI >

전술한 고분자로서 (i) 이온화가 가능하여 음전하를 갖는 관능기가 부착된 고분자, 또는 (ii) 음전하를 갖도록 표면 개질된 고분자를 예시할 수 있다.  As the above-mentioned polymer, a polymer having (i) a functional group capable of ionization and having a negative charge, or (ii) a polymer surface-modified to have a negative charge can be exemplified.

(i)의 경우, 구체적으로 폴리아크릴산 또는 이의 공중합체, 폴리메타크릴산 또는 이의 공중합체 등을 예시할 수 있으며, 이들을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.(i), specifically, polyacrylic acid or a copolymer thereof, polymethacrylic acid or a copolymer thereof, and the like, and these may be used singly or in combination.

이와 관련하여, 고분자 입자의 재질이 예시적으로 폴리(메타크릴산) 고분자(PMMA)인 경우, 하기 일반식 1과 같이 음전하를 갖는 관능기를 갖는다.In this connection, when the material of the polymer particle is, for example, a poly (methacrylic acid) polymer (PMMA), it has a functional group having a negative charge as shown in the following general formula (1).

[일반식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, n은 10,000 내지 200,000(구체적으로 30,000 내지 130,000, 보다 구체적으로 70,000 내지 90,000)의 정수이다. Here, n is an integer of 10,000 to 200,000 (specifically 30,000 to 130,000, more specifically 70,000 to 90,000).

(ii)의 경우, 고분자의 예로서 폴리스티렌을 들 수 있는 바, 구체적으로 스티렌, p-메틸스티렌, m-메틸스티렌, p-에틸스티렌, m-에틸스티렌, α-메틸스티렌 등을 단독으로 또는 조합하여 단량체로 사용하여 중합하여 얻은 고분자 입자를 산 처리를 통하여 음전하를 부여할 수 있다. 이러한 폴리스티렌은 스티렌 단독 중합체뿐만 아니라, 아크릴로니트릴, 1,3-부타디엔, 디비닐벤젠(예를 들면, 1,3-디비닐벤젠)과의 공중합체를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. (ii), examples of the polymer include polystyrene, specifically styrene, p-methylstyrene, m-methylstyrene, p-ethylstyrene, m-ethylstyrene, The polymer particles obtained by polymerization using monomers in combination can be subjected to an acid treatment to impart a negative charge. Such polystyrene may be understood to include not only styrene homopolymers but also copolymers with acrylonitrile, 1,3-butadiene, divinylbenzene (e.g., 1,3-divinylbenzene).

한편, 음전하를 나타내도록 사용할 수 있는 산 처리 성분으로서, 황산, 질산 등을 예시할 수 있는 바, 예를 들면 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이 황산 등을 이용하여 처리함으로써 설폰화된(sulfonated) 고분자 입자를 얻을 수 있다.On the other hand, sulfuric acid, nitric acid, and the like can be exemplified as an acid treatment component that can be used to exhibit a negative charge. For example, sulfonated polymer particles Can be obtained.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기에서 예시된 고분자는 당업계에서 알려진 방식, 예를 들면 침전-증류법(distillation-precipitation), 분산 중합(dispersion polymerization), 에멀션 중합(emulsion polymerization), 벌크 중합bulk polymerization), 용액중합(solution polymerization), 시드 중합(seeded polymerization) 등을 이용하여 제조될 수 있는 바, 특히 침전-증류법은 계면활성제와 같은 첨가제 없이 단분산 고분자 미세구체를 제조할 수 있고, 용매(복수의 용매, 구체적으로 물 및 아세토니트릴의 2종 용매) 간 비율을 조절하여 생성되는 고분자 입자의 사이즈를 조절할 수 있다는 점에서 유리할 수 있다. The polymers exemplified above may be prepared by any of the methods known in the art, for example, distillation-precipitation, dispersion polymerization, emulsion polymerization, bulk polymerization, solution polymerization, And seeded polymerization. Particularly, the precipitation-distillation method can produce monodisperse polymer microspheres without additives such as surfactants, and can be produced by using a solvent (a plurality of solvents, specifically, water and acetone Nitrile solvent) can be advantageously controlled in that the size of the produced polymer particles can be controlled.

또한, 중합 반응 시 당업계에서 알려진 개시제, 예를 들면 벤조일퍼옥사이드, 라우릴퍼옥사이드, 큐멘하이드로퍼옥사이드, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, t-부틸 하이드로퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, t-헥실퍼옥시-2-에틸헥사노에이트 및 1,1,3,3-테트라메틸부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트와 같은 퍼옥사이드계 개시제; 2,2'-아조비스이소부티로니트릴, 2,2'-아조비스-2,4-디메틸발레로니트릴 및 2,2'-아조비스-2-메틸이소부티로니트릴와 같은 아조계 개시제; 또는 이의 조합을 사용할 수 있다. 전술한 개시제는 단량체 100 중량부에 대하여, 예를 들면 약 0.1 내지 10 중량부, 구체적으로 약 0.5 내지 1 중량부의 범위에서 적절한 량으로 사용될 수 있다.It is also possible to use polymerization initiators such as benzoyl peroxide, lauryl peroxide, cumene hydroperoxide, methyl ethyl ketone peroxide, t-butyl hydroperoxide, t-butyl peroxy-2-ethyl Peroxide type initiators such as hexanoate, t-hexylperoxy-2-ethylhexanoate and 1,1,3,3-tetramethylbutylperoxy-2-ethylhexanoate; Azo type initiators such as 2,2'-azobisisobutyronitrile, 2,2'-azobis-2,4-dimethylvaleronitrile and 2,2'-azobis-2-methylisobutyronitrile; Or a combination thereof. The above initiator may be used in an appropriate amount in the range of, for example, about 0.1 to 10 parts by weight, specifically about 0.5 to 1 part by weight, based on 100 parts by weight of the monomer.

예시적 구체예에 있어서, 고분자 입자의 제조를 위한 중합 온도는, 예를 들면 약 60 내지 90℃, 구체적으로 약 70. 내지 80℃ 범위일 수 있고, 중합 반응이 진행됨에 따라 고분자 입자의 사이즈가 증가하므로 적정 중합 시간 범위로 조절하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 관련하여, 예시적인 중합 반응 시간은, 약 30분 내지 5 시간, 구체적으로 약 1 내지 3 시간 범위일 수 있다. 전술한 반응 조건은 예시적인 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. In an exemplary embodiment, the polymerization temperature for the production of the polymer particles may be, for example, in the range of about 60 to 90 DEG C, specifically about 70 to 80 DEG C, and as the polymerization reaction progresses, It may be preferable to adjust the polymerization time to an appropriate range. In this regard, an exemplary polymerization reaction time can be in the range of about 30 minutes to 5 hours, specifically about 1 to 3 hours. The reaction conditions described above are exemplary and the present invention is not limited thereto.

일 구체예에 따르면, 전하를 갖는 고분자 입자는 2종 이상의 단량체를 사용하여 중합된 공중합체일 수 있다. 상기 구체예에 있어서 주목할 점은 단량체 간 비율에 따라 고분자 입자가 띄는 전하의 세기를 조절함으로써 전지 내 반응에 의하여 생성되는 전하-보유 종들의 확산을 제어할 수 있다는 것이다.According to one embodiment, the polymer particles having a charge may be a copolymer polymerized by using two or more monomers. In this embodiment, it is noted that the diffusion of the charge-retaining species produced by the in-cell reaction can be controlled by controlling the intensity of the charge of the polymer particles according to the ratio between the monomers.

예시적 구체예에 따르면, 전술한 고분자 단량체에 다관능성 화합물(구체적으로, 가교 단량체)을 공단량체로 사용하여 중합할 수 있다. 이러한 공단량체의 예는 디비닐벤젠, 1,4-디비닐옥시부탄, 디비닐설폰, 디알릴프탈레이트, 디알릴아크릴아미드, 트리알릴(이소)시아누레이트, 트리알릴트리멜리테이트, 헥산디올디아크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 디에틸렌글리콜 메타크릴레이트, 트리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 트리메틸렌프로판 트리메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 메타크릴레이트, 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 펜타에리트리톨테트라(메타)아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리(메타)아크릴레이트, 펜타에리트리톨 디(메타)아크릴레이트, 트리메틸올프로판, 트리(메타)아크릴레이트, 디펜타에리트리톨 헥사(메타)아크릴레이트, 디펜타에리트리톨 펜타(메타)아크릴레이트, 글리세롤 트리(메타)아크릴레이트, 알릴(메타) 아크릴레이트 등일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the above-mentioned polymeric monomer can be polymerized using a multifunctional compound (specifically, a crosslinking monomer) as a comonomer. Examples of such comonomers are divinyl benzene, 1,4-divinyloxybutane, divinyl sulfone, diallyl phthalate, diallyl acrylamide, triallyl (iso) cyanurate, triallyl trimellitate, hexanediol di Acrylate, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol methacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, trimethylene propane trimethacrylate, 1,3-butanediol methacrylate, 1,6-hexanediol dimethacrylate, (Meth) acrylate, pentaerythritol tetra (meth) acrylate, pentaerythritol tri (meth) acrylate, pentaerythritol di (meth) acrylate, trimethylol propane, (Meth) acrylate, dipentaerythritol penta (meth) acrylate, glycerol tri (meth) acrylate, allyl (meth) acrylate and the like.

예를 들면, 메타크릴산과 디에틸렌글리콜 메타크릴레이트의 공중합체의 경우, 공단량체인 디에틸렌글리콜 메타크릴레이트의 함량이 증가할수록 고분자 입자 표면 상의 전하 세기는 감소할 것이다. 예시적으로, 상기 공중합체의 중합 반응에서 사용되는 메타크릴산 : 디에틸렌글리콜 메타크릴레이트의 중량 비는 원하는 고분자 입자의 전하 세기에 따라, 예를 들면 약 4 내지 19 : 1, 구체적으로 약 5 내지 9 : 1, 보다 구체적으로 약 5.6 내지 5.8 : 1의 범위 내에서 적절히 선택 가능한 바, 상술한 범위는 예시적인 취지로 이해될 수 있다.For example, in the case of a copolymer of methacrylic acid and diethylene glycol methacrylate, the charge intensity on the polymer particle surface will decrease as the content of diethylene glycol methacrylate, which is a comonomer, increases. Illustratively, the weight ratio of methacrylic acid: diethylene glycol methacrylate used in the polymerization of the copolymer is, for example, about 4 to 19: 1, specifically about 5 To 9: 1, more specifically about 5.6 to 5.8: 1, and the above-described range can be understood as an example.

예시적 구체예에 따르면, 전하를 갖는 고분자 입자는 구형의 형상을 가질 수 있고, 또한 이의 평균 사이즈(직경)는, 예를 들면 약 200 nm 내지 6 ㎛, 구체적으로 약 300 nm 내지 4 ㎛, 보다 구체적으로 약 500 nm 내지 3 ㎛ 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the polymer particles having a charge may have a spherical shape, and the average size (diameter) thereof may be, for example, about 200 nm to 6 mu m, specifically about 300 nm to 4 mu m, Specifically about 500 nm to 3 [mu] m.

또한, 상기 전하를 갖는 고분자 입자는 솔리드형, 중공형, 다공형 및/또는 다층형일 수 있다. 이와 관련하여, 다공형 고분자 입자의 경우, 다공성 구조를 형성하기 위하여 선택적으로 기공 형성제를 사용할 수 있는 바, 이러한 기공 형성제의 예는 톨루엔, 헵탄, 이소옥탄, t-아밀알코올, 이소아밀알코올 또는 이의 혼합물을 포함하며, 보다 구체적으로는 톨루엔 및/또는 헵탄일 수 있다.In addition, the polymer particles having the charge may be solid, hollow, porous, and / or multi-layered. In this connection, in the case of the porous polymer particles, a pore-forming agent can be selectively used to form a porous structure. Examples of such pore-forming agents include toluene, heptane, isooctane, t- amyl alcohol, isoamyl alcohol or Mixtures thereof, more specifically toluene and / or heptane.

한편, 분리막의 골격을 구성하는 베이스 멤브레인 구조는 당업계에서 2차 전지의 분리막으로 사용되고 있는 멤브레인 재질을 특별한 한정없이 사용할 수 있다. 이러한 베이스 멤브레인 구조의 대표적인 재질은 폴리올레핀으로서, 구체적으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 이의 조합(블렌드)일 수 있다.On the other hand, the base membrane structure constituting the skeleton of the separation membrane can be a membrane material used as a separation membrane of the secondary battery in the art without any particular limitation. A representative material of such a base membrane structure is a polyolefin, specifically polyethylene, polypropylene or a combination thereof (blend).

예시적으로, 폴리에틸렌은, 에틸렌 단독중합체 또는 공중합체일 수 있다. 에틸렌 공중합체의 경우, 예를 들면 적어도 50몰%의 에틸렌 및 최대 50몰%의 1종 이상의 공단량체(예를 들면, α-올레핀, 구체적으로 프로필렌, 부틸렌, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센, 1-펜텐, 이소부틸렌, 비닐방향족류(예를 들면, 스티렌, (메타)아크릴산, 비닐 아세테이트, 비닐 프로피오네이트 및/또는 (메타)아크릴산의 C1-C10-알킬 에스테르))를 중합시켜 제조할 수 있다. 또한, 폴리에틸렌은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 등일 수 있다.Illustratively, the polyethylene may be an ethylene homopolymer or copolymer. Ethylene copolymers may contain, for example, at least 50 mol% of ethylene and at most 50 mol% of one or more comonomers (e.g., alpha -olefins, specifically propylene, butylene, 1-hexene, 1-decene, 1-dodecene, 1-pentene, isobutylene, vinylaromatic compounds such as styrene, (meth) acrylic acid, vinyl acetate, vinyl propionate and / -Alkyl esters)). ≪ / RTI > The polyethylene may be high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), or the like.

한편, 폴리프로필렌은, 프로필렌 단독 중합체 또는 공중합체일 수 있다. 프로필렌 공중합체는, 예를 들면 적어도 50몰%의 프로필렌 및 최대 50몰%의 1종 이상의 공단량체(예를 들면, 에틸렌, 및/또는 α-올레핀(예를 들면, 부틸렌, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센 및 1-펜텐)을 포함하는 프로필렌 공중합체를 의미할 수 있다.On the other hand, the polypropylene may be a propylene homopolymer or a copolymer. Propylene copolymers may contain, for example, at least 50 mole percent propylene and up to 50 mole percent of one or more comonomers (e.g., ethylene and / or alpha-olefins (e.g., butylene, 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, and 1-pentene).

상기 베이스 멤브레인 구조의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면 약 10 내지 30 ㎛, 구체적으로 약 15 내지 27 ㎛, 보다 구체적으로 약 20 내지 25 ㎛ 범위일 수 있다. The thickness of the base membrane structure is not particularly limited, but may be, for example, in the range of about 10 to 30 mu m, specifically about 15 to 27 mu m, and more specifically about 20 to 25 mu m.

예시적 구체예에 있어서, 베이스 멤브레인 구조는 다공성 멤브레인으로 이루어질 수 있는 바, 이때 포어 사이즈는, 예를 들면 약 10 내지 64 nm, 구체적으로 약 20 내지 50 nm, 보다 구체적으로 약 27 내지 43 nm 범위일 수 있고, 또한 공극율은 적어도 약 37%, 구체적으로 약 40 내지 60%, 보다 구체적으로 약 41 내지 55% 범위일 수 있다. In an exemplary embodiment, the base membrane structure may be comprised of a porous membrane, wherein the pore size is in the range of, for example, about 10 to 64 nm, specifically about 20 to 50 nm, more specifically about 27 to 43 nm And the porosity may also be in the range of at least about 37%, specifically about 40 to 60%, and more specifically about 41 to 55%.

이외에도, 베이스 멤브레인 구조의 BET 비표면적은 적어도 100 ㎡/g, 구체적으로 200 내지 2,000 ㎡/g, 보다 구체적으로 300 내지 1,000 ㎡/g 범위일 수 있다. 상술한 베이스 멤브레인 구조의 물성은 예시적 목적으로 제공되는 것으로, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the BET specific surface area of the base membrane structure may be at least 100 m 2 / g, specifically 200 to 2,000 m 2 / g, more specifically 300 to 1,000 m 2 / g. The physical properties of the above-described base membrane structure are provided for illustrative purposes, and the present invention is not necessarily limited thereto.

예시적 구체예에 있어서, 베이스 멤브레인 구조로서, 상업적으로 시판 중인 다공성 멤브레인을 사용할 수 있는 바, 단일 층 또는 복수 층(폴리올레핀 층 이외에 폴리아미드 층, 폴리카보네이트 층 및/또는 다공성 세라믹 층을 더 포함할 수 있음) 구조를 가질 수 있다. 이러한 상용 멤브레인의 예로서, Celgard, LLC(Charlotte, N.C.)에서 시판 중인 CELGARD 2400, CELGARD 2500, 또는 CELGARD 2325를 들 수 있다.In an exemplary embodiment, a commercially available porous membrane may be used as the base membrane structure, and may include a single layer or a plurality of layers (further comprising a polyamide layer, a polycarbonate layer, and / or a porous ceramic layer in addition to the polyolefin layer Lt; / RTI > structure). Examples of such commercial membranes include CELGARD 2400, CELGARD 2500, or CELGARD 2325 commercially available from Celgard, LLC (Charlotte, N.C.).

일 구체예에 따르면, 전하를 갖는 고분자 입자는 분리막의 베이스 멤브레인 구조 상에 단층으로 배열된다. 예시적 구체예에 따르면, 베이스 멤브레인 구조 상에 코팅되는 고분자 입자의 량(코팅 량)은, 고분자 입자의 사이즈 등에 따라 정해질 수 있는 바, 예를 들면 약 1 내지 15 g/m2, 구체적으로 약 2 내지 7 g/m2, 보다 구체적으로 약 3 내지 5 g/m2 범위일 수 있다. 이를 위하여, 크게 물리적 결합(본딩) 방식 및 화학적 결합(화학 반응) 방식을 이용할 수 있다.According to one embodiment, the polymer particles having charge are arranged as a single layer on the base membrane structure of the separator. According to the exemplary embodiment, the amount (coating amount) of the polymer particles coated on the base membrane structure can be determined according to the size of the polymer particles, for example, about 1 to 15 g / m 2 , It may be about 2 to 7 g / m 2, more specifically, about 3 to 5 g / m 2 range. For this, the physical bonding (bonding) method and the chemical bonding (chemical reaction) method can be used.

(1) 물리적 결합 방식(1) Physical coupling method

일 구체예에 따른 분리막은 베이스 멤브레인 구조 상에 형성된 바인더 층에 전하를 갖는 고분자 입자가 단층으로 배열됨으로써 코팅층을 구성한다. 도 1은 베이스 멤브레인 구조 상에 고분자 입자를 물리적 결합에 의하여 부착하는 일련의 과정을 개략적으로 도시한다.The separation membrane according to one embodiment forms a coating layer by arranging polymer particles having charge in the binder layer formed on the base membrane structure as a single layer. Figure 1 schematically shows a series of processes for attaching polymeric particles by physical bonding on a base membrane structure.

이와 관련하여, 바인더 층의 재질은 폴리비닐알코올, 폴리아크릴아미드, 카세인, 젤라틴, 폴리아크릴산 또는 이의 공중합체, 폴리메타크릴산 또는 이의 공중합체, 설폰화된 폴리스티렌 또는 이의 공중합체, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 바인더 층의 두께는, 예를 들면 약 0.5 내지 1.5 ㎛, 구체적으로 약 0.8 내지 1.2 ㎛, 보다 구체적으로 약 0.9 내지 1 ㎛ 범위일 수 있다. 예시적으로, 바인더 층은 당업계에서 공지된 고분자 코팅 방식, 예를 들면 스핀 코팅, 캐스트 코팅 등에 의하여 형성될 수 있는 바, 특히 스핀 코팅 방식이 유리할 수 있다.In this regard, the material of the binder layer may be selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyacrylamide, casein, gelatin, polyacrylic acid or copolymers thereof, polymethacrylic acid or copolymers thereof, sulfonated polystyrene or copolymers thereof, 4-ethylenedioxythiophene), and combinations thereof. Further, the thickness of the binder layer may be in the range of, for example, about 0.5 to 1.5 mu m, specifically about 0.8 to 1.2 mu m, more specifically about 0.9 to 1 mu m. Illustratively, the binder layer can be formed by a polymer coating method known in the art, for example, spin coating, cast coating, etc. Especially, the spin coating method may be advantageous.

한편, 본 구체예에 있어서, 전하를 갖는 고분자 입자는 바인더 층의 개재 하에 베이스 멤브레인 구조의 적어도 일 면 상에 단층으로 배열된다. 예시적 구체예에 따르면, 전하를 갖는 고분자 입자를 베이스 멤브레인 구조 상에 직접 코팅하기보다는 먼저 별도의 고분자 기재 상에 단층으로 배열한다. 예시적 구체예에 따르면, 고분자 입자는, 물리적 방식, 구체적으로 가압 하에서 러빙(rubbing), 누르기(프레싱), 스탬핑 등에 의하여 고분자 기재 상에 단층으로 배열될 수 있다. 이러한 물리적 배열의 일 예로서, 2개의 고분자 기재를 준비하고, 이중 하나의 표면에 고분자 입자를 올려놓은 후에 다른 고분자 기재로 가압하면서 문지르는 조작에 의하여 단층으로 배열할 수 있다. 이때, 고분자 기재로서, 예를 들면 소수성을 갖고, 점착성 및 탄성을 갖는 종류를 사용할 수 있다. On the other hand, in this embodiment, the polymer particles having charge are arranged as a single layer on at least one side of the base membrane structure under the interposition of the binder layer. According to an exemplary embodiment, the polymer particles having charge are arranged in a single layer on a separate polymeric substrate, rather than directly on the base membrane structure. According to an exemplary embodiment, the polymer particles can be arranged in a single layer on a polymer substrate by physical methods, specifically rubbing under pressure, pressing (stamping), stamping, and the like. As an example of such a physical arrangement, two polymer bases may be prepared, the polymer particles may be placed on one of the two surfaces, and then the other polymer base material may be arranged as a single layer by pressing and rubbing. At this time, as the polymer base material, for example, a kind having hydrophobicity, adhesiveness and elasticity can be used.

예시적으로, 고분자 기재는 고무질 기재일 수 있는 바, 구체적으로 폴리디메틸실록산(PDMS), SBS 고무, TPU, NBR, 하이드로겔, PUA, PVA, PI, PMMA, PVDF, SBR 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 예시적 구체예에서, 상기 고분자 기재의 치수(또는 두께)는, 전하를 갖는 고분자 입자를 단층으로 용이하게 배열할 수 있도록 작업성이 양호하면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 0.1 내지 0.5 ㎝, 구체적으로 약 0.2 내지 0.3 ㎝ 범위일 수 있다. Illustratively, the polymeric substrate may be a rubbery substrate, specifically a polymeric material selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), SBS rubber, TPU, NBR, hydrogel, PUA, PVA, PI, PMMA, PVDF, SBR, Lt; / RTI > In an exemplary embodiment, the dimension (or thickness) of the polymer base material is not particularly limited as long as the workability is good so that the polymer particles having charge can be easily arranged as a single layer. For example, about 0.1 to 0.5 cm , Specifically about 0.2 to 0.3 cm.

전술한 바와 같이, 고분자 기재 상에 단층으로 배열된 고분자 입자 층을 베이스 멤브레인 구조 상에 형성된 바인더 층과 접촉시키는 바, 이에 따라 고분자 입자는 고분자 기재 상에 배열된 형태와 동일한 패턴, 즉 단층으로 바인더 층에 전사된다. 이와 관련하여, 바인더 층과 고분자 기재 상의 고분자 입자 층이 가압 하에서 서로 접촉(또는 스탬핑)함으로써 고분자 기재로부터 바인더 층으로 고분자 입자가 효과적으로 전사될 수 있다. 이때, 전사에 적합한 압력은, 예를 들면 적어도 약 0.1 Pa, 구체적으로 약 0.3 내지 3 Pa, 보다 구체적으로 약 1 내지 1.5 Pa 범위 내에서 조절될 수 있다.As described above, the polymer particle layer arranged in a single layer on the polymer substrate is brought into contact with the binder layer formed on the base membrane structure, so that the polymer particles have the same pattern as that arranged on the polymer substrate, Layer. In this connection, the polymer particles can be effectively transferred from the polymer base to the binder layer by contacting (or stamping) the binder layer and the polymer particle layer on the polymer base under pressure. At this time, the pressure suitable for the transfer can be adjusted within a range of, for example, at least about 0.1 Pa, specifically about 0.3 to 3 Pa, more specifically about 1 to 1.5 Pa.

(2) 화학적 결합 방식(2) Chemical bonding method

일 구체예에 있어서, 전하를 갖는 고분자 입자는 앞서 설명된 물리적 결합 방식과 달리, 바인더 층의 개재 없이 베이스 멤브레인 구조의 표면과의 화학적 결합에 의하여 고분자 입자의 단층 코팅층을 형성할 수 있다. 도 2는 베이스 멤브레인 구조 상에 고분자 입자를 화학적 결합에 의하여 부착하는 일련의 과정을 개략적으로 도시한다.In one embodiment, the polymer particles having a charge can form a monolayer coating layer of the polymer particles by chemical bonding with the surface of the base membrane structure, without the interposition of the binder layer, unlike the above-described physical bonding method. Figure 2 schematically shows a series of processes in which polymer particles are attached by chemical bonding on a base membrane structure.

이때, 베이스 멤브레인 구조의 적어도 일 면이 반응성 관능기를 갖도록 표면 개질되며, 상기 표면 상에 형성된 반응성 관능기가 고분자 입자 표면에 존재하는 양전하 또는 음전하 관능기와 화학적으로 반응하여 결합됨으로써 베이스 멤브레인 구조의 표면에 부착(고정)된다. 이를 위하여, 앞서 설명한 바와 같이, 전하를 갖는 고분자 입자를 별도의 고분자 기재 상에 단층으로 배열한 다음, 상기 고분자 기재 상에 배열된 고분자 입자와 베이스 멤브레인 구조의 개질된 표면과 접촉시켜 화학적 반응에 의한 결합을 형성한다.At this time, at least one surface of the base membrane structure is surface-modified to have a reactive functional group, and the reactive functional group formed on the surface is chemically reacted with the positive or negative functional group present on the surface of the polymer particle to be bonded to the surface of the base membrane structure (Fixed). For this purpose, as described above, the polymer particles having a charge are arranged in a single layer on a separate polymer substrate, and then the polymer particles arranged on the polymer substrate and the modified surface of the base membrane structure are brought into contact with each other by chemical reaction Bonds.

예시적 구체예에 있어서, 화학적 결합은 히드록시기(-OH)와 카르복시기(COOH) 간의 에스테르 결합일 수 있는 바, 이 경우 고분자 입자의 표면은 이온화에 의하여 음전하를 갖는 관능기로서 카르복시기, 베이스 멤브레인 구조의 표면은 반응성 관능기로서 히드록시기를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the chemical bond may be an ester bond between a hydroxy group (-OH) and a carboxy group (COOH). In this case, the surface of the polymer particle is a functional group having a negative charge by ionization, May have a hydroxy group as a reactive functional group.

베이스 멤브레인 구조로서 폴리올레핀과 같은 탄화수소계 고분자를 사용할 경우, 이의 표면 대부분은 비활성의 C-H를 갖게 된다. 이러한 C-H 결합을 C-OH로 전환하기 위한 표면 개질 방법으로서 하기 반응식 2 또는 반응식 3에 나타나는 메커니즘을 이용하여 초기의 C-H 결합을 중간체를 경유하여 가수분해에 의하여 C-OH로 전환시킬 수 있다. When a hydrocarbon-based polymer such as polyolefin is used as the base membrane structure, most of its surface will have an inactive C-H. As a surface modification method for converting the C-H bond to C-OH, the initial C-H bond can be converted to C-OH by hydrolysis via an intermediate using the mechanism shown in the following reaction scheme 2 or scheme 3.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

이때, 에스테르화 반응기(또는 반응 영역) 내에는 산 수용액(구체적으로 황산 수용액) 저장조가 배치되어 승온 조건(예를 들면 약 60 내지 95℃, 구체적으로 약 70 내지 85℃, 보다 구체적으로 약 75 내지 80℃) 하에서 기상화된 형태로 에스테르화 반응의 촉매로 기능할 수 있다. 이와 같이, 베이스 멤브레인 구조의 표면 개질에 의하여 형성된 히드록시기는 고분자 입자 표면의 카르복시기와 에스테르 반응함으로써 음전하를 갖는 고분자 입자가 베이스 멤브레인 구조의 표면에 단층으로 배열되어 부착될 수 있는 것이다. At this time, a reservoir of an aqueous acid solution (specifically, an aqueous solution of sulfuric acid) is disposed in the esterification reactor (or reaction zone), and is heated to a temperature elevated condition (for example, about 60 to 95 ° C, specifically about 70 to 85 ° C, Lt; RTI ID = 0.0 > 80 C) < / RTI > As described above, the hydroxy group formed by the surface modification of the base membrane structure reacts with the carboxyl group on the surface of the polymer particles, so that the polymer particles having a negative charge can be arranged and adhered to the surface of the base membrane structure as a single layer.

리튬-황 2차 전지Lithium-sulfur secondary battery

전술한 바와 같이 베이스 멤브레인 구조 상에 전하를 갖는 고분자 입자의 코팅층을 형성하여 제조된 분리막은 2차 전지의 분리막으로 적용될 수 있다. 이러한 2차 전지의 대표적인 예로서 리튬-황 2차 전지를 예시할 수 있다. As described above, the separation membrane prepared by forming the coating layer of polymer particles having charge on the base membrane structure can be applied as a separation membrane of a secondary battery. A representative example of such a secondary battery is a lithium-sulfur secondary battery.

일반적으로, 리튬-황 2차 전지는, (i) 황-함유 양극, (ii) 리튬-함유 음극, (iii) 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막; 및 (iv) 양극과 음극 사이에 충진된 액상 전해질을 포함한다. 이때, 전극(양극(캐소드) 및 음극(애노드))에서의 전지 반응은 하기 반응식 4와 같이 나타낼 수 있다.Generally, a lithium-sulfur secondary battery comprises: (i) a sulfur-containing anode; (ii) a lithium-containing cathode; (iii) a separator disposed between the anode and the cathode; And (iv) a liquid electrolyte filled between the anode and the cathode. At this time, the cell reaction at the electrodes (anode (cathode) and cathode (anode)) can be expressed as shown in the following reaction formula (4).

[반응식 4][Reaction Scheme 4]

(i) 음극(negative electrode; anode): 2Li → 2Li+ + 2e-(i) Negative electrode (anode): 2Li → 2Li + + 2e-

(ii) 양극(positive electrode; cathode): S + 2Li+ + 2e- → Li2S(ii) Positive electrode (cathode): S + 2Li + + 2e-? Li 2 S

(iii) 전체 전지 반응(방전): 2Li + S → Li2S(iii) the total cell reaction (discharge): 2Li + S → Li 2 S

예시적 구체예에 있어서, 리튬-황 2차 전지의 양극은 전기활성을 갖는 황 재료, 또는 황 재료와 전도성 재료의 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 혼합물은 전기 활성층을 형성하고, 이는 집전체와 접촉하도록 배치될 수 있다. 상기 전기활성을 갖는 황 재료의 예는 원소 황, 황계 유기 화합물, 황계 무기 화합물, 황 함유 고분자 또는 이의 조합을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 S8, Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S2, 또는 Li2S. 보다 구체적으로는 S8일 수 있다. 또한, 전도성 재료는 특별히 한정되는 것은 아니나, 탄소질 재료, 예를 들면 카본 블랙, 탄소 섬유, 그래핀 및/또는 탄소나노튜브(CNTs)를 포함할 수 있다. 예시적으로, 황-탄소나노튜브 복합체를 사용할 수 있는 바, 탄소나노튜브의 내부 공간에 황을 충진한 형태일 수 있다.In an exemplary embodiment, the anode of the lithium-sulfur secondary cell may comprise a sulfur material having electroactive properties, or a mixture of a sulfur material and a conductive material. Such a mixture forms an electroactive layer, which can be arranged to contact the current collector. Examples of the electroactive sulfur material may include elemental sulfur, a sulfur-based organic compound, a sulfur-based inorganic compound, a sulfur-containing polymer, or a combination thereof. Specifically, S 8 , Li 2 S 8 , Li 2 S 6 , Li 2 S 4 , Li 2 S 2 , or Li 2 S. More specifically, it may be S 8 . In addition, the conductive material is not particularly limited, but may include carbonaceous materials such as carbon black, carbon fiber, graphene, and / or carbon nanotubes (CNTs). Illustratively, a sulfur-carbon nanotube composite can be used, and the inner space of the carbon nanotube may be filled with sulfur.

택일적으로, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리피롤 등의 전도성 고분자를 단독으로 또는 상기 탄소질 재료와 혼합하여 사용할 수 있다. Alternatively, conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, and polypyrrole may be used alone or in combination with the carbonaceous material.

이외에도, 양극 내에 바인더를 선택적으로 포함할 수 있는 바, 이러한 바인더 성분의 예는 폴리(비닐 아세테이트), 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 알킬레이티드 폴리에틸렌 옥사이드, 가교결합된 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 에테르, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌과 폴리비닐리덴플루오라이드의 공중합체(상품명: Kynar), 폴리(에틸 아크릴레이트), 폴리테트라플루오로에틸렌 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 폴리스티렌, 셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), SBR(styrene-butadiene rubber)/CMC(carboxymethyl cellulose) 등을 포함한다. 이러한 바인더의 함량은, 양극 재료 전체 중량을 기준으로, 예를 들면 약 1 내지 20 중량%, 구체적으로 약 5 내지 15 중량% 수준일 수 있다. In addition, a binder may optionally be included in the anode. Examples of such binder components include poly (vinyl acetate), polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, alkylated polyethylene oxide, crosslinked polyethylene oxide , A copolymer of polyvinyl ether, poly (methyl methacrylate), polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene and polyvinylidene fluoride (trade name: Kynar), poly (ethyl acrylate), polytetrafluoro Polyvinylpyridine, polystyrene, cellulose, carboxymethylcellulose (CMC), styrene-butadiene rubber (SBR) / carboxymethyl cellulose (CMC), and the like. The content of such a binder may be, for example, about 1 to 20% by weight, specifically about 5 to 15% by weight, based on the total weight of the cathode material.

예시적 구체예에 있어서, 양극은 황-탄소 복합체(sulfur-carbon composite) 재질로서 다공성 탄소에 황 입자를 도포하여 형성할 수 있는 바, 구체적으로 황 입자를 용해시킨 후에 탄소질 성분과 혼합하여 제조할 수 있다. 이때, 황-탄소 복합체 내 황 : 탄소의 중량 비는 약 1 내지 20 : 1, 구체적으로 약 3 내지 15 : 1, 보다 구체적으로 약 5 내지 10 : 1 범위일 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In an exemplary embodiment, the anode may be formed by applying sulfur particles to porous carbon as a sulfur-carbon composite material. Specifically, the anode may be formed by dissolving sulfur particles and then mixing with carbonaceous components can do. In this case, the weight ratio of sulfur to carbon in the sulfur-carbon composite may be in the range of about 1 to 20: 1, specifically about 3 to 15: 1, more specifically about 5 to 10: 1, It is not.

이와 같이 전기활성을 갖는 황 재료, 또는 황 재료와 전도성 재료의 혼합물은 용매(예를 들면, 물 또는 N-메틸-2-피롤리돈와 같은 유기 용매)를 이용한 슬러리 형태로 집전체에 코팅 또는 피복될 수 있다. 이후, 사용된 용매는 제거될 수 있으며, 생성된 구조체는 캘린더링 등을 거쳐 복합 구조체를 형성할 수 있으며, 소정의 형상으로 절단하여 전지 내 양극으로 사용될 수 있다.The electroactive sulfur material or a mixture of the sulfur material and the conductive material is coated or coated on the current collector in the form of a slurry using a solvent (for example, water or an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone) . Thereafter, the used solvent may be removed, and the resulting structure may be formed into a composite structure through calendering or the like, and may be cut into a predetermined shape and used as an anode in a battery.

한편, 리튬-황 2차 전지의 음극으로 리튬 단독, 리튬-흑연 화합물 또는 리튬 합금을 사용할 수 있는데, 이때 리튬 합금은, 예를 들면 (i) 리튬과 (ii) Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Si, Ra, Al, Sn, Ti 등으로부터 적어도 하나가 선택되는 금속의 합금일 수 있다. 예시적으로, 음극으로 리튬 포일을 사용할 수 있는 바, 이때 리튬 포일의 두께는, 예를 들면 약 25 내지 200 ㎛, 구체적으로 약 50 내지 150 ㎛ 범위일 수 있다.The lithium alloy may be, for example, (i) lithium and (ii) Na, K, Rb, Cs, or a mixture of lithium and lithium. At least one selected from the group consisting of Fe, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Si, Ra, Al, Sn and Ti. Illustratively, a lithium foil can be used as the cathode, wherein the thickness of the lithium foil can range, for example, from about 25 to 200 micrometers, specifically about 50 to 150 micrometers.

또한, 리튬-황 2차 전지 내 전해질은 양극과 음극 간 전하를 전달할 수 있도록 하는 바, 이를 위하여 양극에 형성된 포어, 분리막에 형성된 포어 등을 함침시킨다. 전형적으로, 2차 전지 내 전해질은 리튬염 및 유기 용매를 포함할 수 있다. 예시적으로, 리튬 염은 LiSCN, LiBr, LiI, LiNO3, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiClO4, Li(Ph)4, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3CF2SO2)2, LiAlCl4, LiB(C6H5)4, LiCF3SO3, LiN(FSO2)2 등일 수 있고, 이들을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 이때, 리튬 염의 농도는, 예를 들면 약 0.2 내지 4 M, 구체적으로 약 0.7 내지 3 M, 보다 구체적으로 약 1 내지 2 M 범위일 수 있다. 상기 리튬염의 농도 범위는 예시적 목적으로 기술된 것으로, 전해질의 내 리튬 염의 용해도, 용해된 리튬 염의 이온 전도도, 원하는 전지의 충방전 특성, 작동 온도 등을 고려하여 조절할 수 있다. In addition, the electrolyte in the lithium-sulfur secondary cell is capable of transferring electric charges between the positive electrode and the negative electrode. For this purpose, a pore formed on the positive electrode and a pore formed on the separation membrane are impregnated. Typically, the electrolyte in the secondary cell may comprise a lithium salt and an organic solvent. By way of example, the lithium salt is LiSCN, LiBr, LiI, LiNO 3 , LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6, LiAsF 6, LiCH 3 SO 3, LiCF 3 SO 3, LiClO 4, Li (Ph) 4, LiC (CF 3 SO 2) 3, LiN ( CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2) 2, LiN (CF 3 CF 2 SO 2) 2, LiAlCl 4, LiB (C 6 H 5) 4, LiCF 3 SO 3 , LiN (FSO 2 ) 2 , and the like, which may be used alone or in combination. At this time, the concentration of the lithium salt may be in the range of, for example, about 0.2 to 4 M, specifically about 0.7 to 3 M, more specifically about 1 to 2 M. The concentration range of the lithium salt is described for illustrative purposes. The concentration range of the lithium salt can be adjusted in consideration of the solubility of the lithium salt in the electrolyte, the ionic conductivity of the dissolved lithium salt, the charge and discharge characteristics of the desired battery, and the operating temperature.

한편, 전해질 내 유기용매로서, 예를 들면 비수계 유기용매를 사용할 수 있는 바, 예를 들면 바이사이클릭 에테르, 비환형 카보네이트, 설폭사이드 화합물, 락톤 화합물, 케톤 화합물, 에스테르 화합물, 설페이트 화합물, 설파이트 화합물 등과 같은 극성 용매를 사용할 수 있다. 이러한 유기용매의 구체적인 예는 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 디옥솔란, 1,4-디옥산, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 메틸프로필카보네이트(MPC), 에틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 부틸에틸카보네이트, 에틸프로파노에이트(EP), 디메틸에테르(dimethyl ether, DME), 디에틸에테르, 트리에틸렌글리콜모노메틸에테르(Triethylene glycol monomethyl ether, TEGME), 디글라임, 테트라글라임, 헥사메틸 포스포릭 트리아마이드(hexamethyl phosphoric triamide), 감마부티로락톤(GBL), 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), N-메틸피롤리돈, 3-메틸-2-옥사졸리돈, 아세트산에스테르, 부틸산에스테르 및 프로피온산에스테르, 디메틸포름아마이드, 설포란, 메틸설포란, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, 디메틸설페이트, 에틸렌글리콜 디아세테이트, 디메틸설파이트, 에틸렌글리콜설파이트, 및 이의 조합을 포함할 수 있다. 택일적으로, 유기 용매로서 비극성 유기 용매, 예를 들면 아릴 화합물, 구체적으로 톨루엔, 자일렌 등을 사용할 수도 있다.On the other hand, as the organic solvent in the electrolyte, for example, a non-aqueous organic solvent can be used, and examples thereof include bicyclic ethers, cyclic carbonates, sulfoxide compounds, lactone compounds, ketone compounds, ester compounds, A polar compound such as a pyridine compound or a pyridine compound may be used. Specific examples of such an organic solvent include 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, dioxolane, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate, dipropyl carbonate, butyl ethyl carbonate, ethyl propanoate A solvent such as dimethyl ether (DME), diethyl ether, triethylene glycol monomethyl ether (TEGME), diglyme, tetraglyme, hexamethyl phosphoric triamide, gamma butyrolactone (GBL), acetonitrile, propionitrile, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), N-methylpyrrolidone, 3-methyl-2-oxazolidinone, acetic acid ester, butyl acid ester and propionic acid ester,Methyl formamide, sulfolane, methyl sulfolane, dimethyl acetamide, dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfate, ethylene glycol diacetate, dimethyl sulfite, glycol sulfite, and may include a combination thereof. Alternatively, a nonpolar organic solvent such as an aryl compound, specifically, toluene, xylene, or the like may be used as the organic solvent.

예시적 구체예에서, 분리막의 일 면에 형성된 고분자 입자의 코팅층은 양극을 향하도록 배치(배향)될 수 있다. 이때, 분리막에 부착 형성된 음전하의 고분자 입자 코팅층은 양극에서 생성되는 폴리설파이드(polysulfide; Sx)가 음극(애노드; Li 전극)으로 이동하는 것을 방지한다. 그 결과, 폴리설파이드의 이동 또는 셔틀링 현상에 의한 전지 효율 저하 및 수명 저감에 따른 문제를 완화시킬 수 있다. In an exemplary embodiment, the coating layer of polymer particles formed on one side of the separator may be oriented (oriented) toward the anode. At this time, the polymer particle coating layer of negative charge formed on the separator prevents the polysulfide (S x ) generated at the anode from moving to the cathode (anode: Li electrode). As a result, it is possible to alleviate the problem of deterioration in cell efficiency and reduction in service life due to the movement of the polysulfide or the shuttle ring phenomenon.

도 3을 참고하면, 리튬 이온(Li+)은 음전하를 갖는 고분자 입자 코팅층과 관계 없이 분리막을 통과하여 양극 또는 음극으로 비교적 자유롭게 이동할 수 있다. 반면, 폴리설파이드 성분(예를 들면, Li2S4 및/또는 Li2S8)은 음극(Li 전극)으로 이동하는 과정에서 분리막 상에 형성된 음전하의 고분자 입자 코팅층에 의한 전기적 반발 현상에 의하여 분리막을 통과하지 못한다. 특히, 고분자 입자 코팅층의 전하 세기가 클수록 전기적 반발 현상은 더욱 커지게 된다. 반면, 음전하의 고분자 입자의 코팅층이 형성되지 않은 분리막의 경우, 리튬 이온(Li+)뿐만 아니라, 폴리설파이드 성분 역시 분리막을 통과하여 음극으로 이동함으로써 전지 효율을 저하시키게 된다.Referring to FIG. 3, lithium ions (Li < + & gt ; ) can move relatively freely through the separator to the anode or the cathode regardless of the polymer particle coating layer having negative charge. On the other hand, when the polysulfide component (for example, Li 2 S 4 and / or Li 2 S 8 ) migrates to the cathode (Li electrode), the polymer electrolyte membrane . Particularly, as the charge intensity of the polymer particle coating layer is increased, the electrical repulsion phenomenon becomes larger. On the other hand, in the case of a separation membrane in which a coating layer of polymer particles with negative charge is not formed, not only lithium ions (Li + ) but also polysulfide components pass through the separation membrane and move to the cathode.

본 구체예와 관련하여 주목할 점은 고분자 입자가 단층으로 배열된 코팅층을 도입함으로써 필름 형태의 코팅 기술, 분리막 표면 개질 기술 등에 비하여 리튬 이온의 확산 저항을 효과적으로 억제할 수 있고, 또한 전하의 크기 또는 세기를 조절할 수 있다는 것이다. 특히, 이러한 종래기술의 경우, 황의 로딩 량에 따라 발생하는 폴리설파이드를 제어하기 힘들고 음 전하의 반발력에 의한 확산 제어 메커니즘을 명확하게 구현할 수 없었는 바, 이는 전하(구체적으로 음 전하)를 갖는 고분자 멤브레인 또는 개질된 분리막의 표면의 전하를 확인할 수 있는 방법이 곤란하기 때문이다. It should be noted with respect to this specific example that by introducing a coating layer in which polymer particles are arranged in a single layer, diffusion resistance of lithium ions can be effectively suppressed compared with film-type coating technology, separation membrane surface modification technique, . Particularly, in the case of such a conventional technique, it is difficult to control the polysulfide generated according to the amount of sulfur loaded, and the diffusion control mechanism due to the repulsive force of negative charges can not be clearly realized. This is because the polymer membrane having charge (specifically negative charge) Or the method of confirming the charge on the surface of the modified separation membrane is difficult.

반면, 본 개시 내용의 다양한 구체예에서는 고분자 입자(특히, 균일한 사이즈를 갖는 단분산 고분자 입자)의 코팅층을 적용함으로써 코팅 전 분산물(콜로이드) 상태에서 고분자 입자의 표면 전하를 확인할 수 있다. 더 나아가, 공중합 방식으로 고분자 입자를 제조할 경우, 단량체 간 비율을 조절하여 전하의 세기를 조절할 수 있는 장점을 제공한다. 이외에도, 필름 형태로 코팅층이 아닌, 고분자 입자(특히, 구형의 고분자 입자)가 배열된 코팅층을 이용함으로써, 리튬이온의 확산 저항을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 요컨대, 본 개시 내용에서는 2차 전지, 특히 리튬-황 2차 전지 내 분리막의 정확한 제어 메커니즘에 기초하여 전지의 에너지 밀도를 높이면서도 전지의 수명 특성을 개선할 수 있다.On the other hand, in various embodiments of the present disclosure, the surface charge of the polymer particles in a dispersion (colloid) state before coating can be confirmed by applying a coating layer of polymer particles (in particular monodisperse polymer particles having a uniform size). Furthermore, when the polymer particles are prepared by a copolymerization method, the charge ratio can be controlled by adjusting the ratio between the monomers. In addition, by using a coating layer in which polymer particles (in particular, spherical polymer particles) are arranged in film form rather than a coating layer, the diffusion resistance of lithium ions can be remarkably reduced. In short, the present disclosure can improve the lifetime characteristics of the battery while increasing the energy density of the battery based on the accurate control mechanism of the separation membrane in the secondary battery, particularly the lithium-sulfur secondary battery.

비록 본 명세서에서는 리튬-황 2차 전지를 중심으로 기술하였으나, 2차 전지 내 분리막에 전하를 갖는 고분자 입자를 단층 형태로 코팅하는 기술은 다른 타입의 전지, 예를 들면 리튬-공기 전지 등에서도 활용할 수 있는 등, 차세대 2차 전지 시스템 전반에 걸쳐 적용 가능하다.Although a lithium-sulfur secondary battery has been mainly described in the present specification, a technique of coating a polymer particle having a charge in a separation membrane in a secondary battery in a single layer form can be applied to other types of batteries, for example, a lithium-air battery And can be applied to the next generation secondary battery system.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.The present invention can be more clearly understood by the following examples, and the following examples are merely illustrative of the present invention and are not intended to limit the scope of the invention.

실시예 1Example 1

음전하를 갖는 고분자(폴리(MAA/EGDMA)) 입자의 제조Preparation of Negative Charged Polymer (Poly (MAA / EGDMA)) Particles

메타크릴산(MAA; 99%, Sigma-Aldrich) 및 에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트(EGDMA; TCI)를 단량체로 사용하고, 침전-증류법을 통하여 중합 반응을 수행하였다. 반응계 내 전체 단량체 사용량은 4 g이었고, MAA:EGDMA의 중량비는 1 : 1이었다. 중합 반응은 아세토니트릴(68 mL), 탈이온수(12 mL), 그리고 개시제로서 2,2'-아조비스이소부티로니트릴(AIBN(Junsei); 0.08 g)로 이루어지는 반응 매질 내에서 수행되었다. 중합 반응은 80℃에서 40분 동안 교반 없이 수행되었다. 미반응 단량체 및 매질을 원심분리에 의하여 제거하였으며, 침전된 입자를 에탄올 및 탈이온수로 수회 세척하였고, 상온 및 진공 하에서 1일 동안 건조시켜 EGDMA로 가교된 폴리메타아크릴산(PMMA)의 고분자 입자를 제조하였다. 상기 고분자 입자의 형상은 구형이었고, 평균 사이즈(입경)는 약 1 ㎛이었다.Polymerization was carried out by precipitation-distillation using methacrylic acid (MAA; 99%, Sigma-Aldrich) and ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA; TCI) as monomers. The total amount of monomer used in the reaction system was 4 g, and the weight ratio of MAA: EGDMA was 1: 1. The polymerization reaction was carried out in a reaction medium consisting of acetonitrile (68 mL), deionized water (12 mL), and 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN (Junsei); 0.08 g) as an initiator. The polymerization reaction was carried out at 80 DEG C for 40 minutes without stirring. Unreacted monomers and medium were removed by centrifugation. The precipitated particles were washed several times with ethanol and deionized water, and dried for 1 day at room temperature and vacuum to prepare polymer particles of polymethacrylic acid (PMMA) crosslinked with EGDMA Respectively. The polymer particles were spherical in shape and had an average size (particle size) of about 1 mu m.

고분자 입자 상의 존재하는 관능기인 카르복시산기(carboxylic acid group)가 음 전하를 갖도록 하기 위하여 수산화나트륨 수용액(0.001 M) 300 mL에 상기 고분자 입자를 투입하여 2시간 동안 유지시켰고, 이후 원심분리를 통하여 고액 분리를 수행하였으며, 후속적으로 분리된 고분자 입자를 THF로 세척하여 정제시켰다. 정제된 고분자 입자에 대하여 상온에서 진공 건조하여, 음전하를 갖는 MMA-EGDMA 공중합체 입자를 수득하였다. The polymer particles were put into 300 mL of an aqueous solution of sodium hydroxide (0.001 M) and kept for 2 hours in order to make the carboxylic acid group, which is a functional group present on the polymer particle, to have a negative charge, And the subsequently separated polymer particles were purified by washing with THF. The purified polymer particles were vacuum-dried at room temperature to obtain MMA-EGDMA copolymer particles having a negative charge.

한편, 공중합체 제조 시 단량체 간 비를 변화시켜 고분자 입자를 합성하였으며, 중량 비, 몰 비 및 입자 사이즈를 하기 표 1에 나타내었다.On the other hand, the polymer particles were synthesized by varying the monomer-to-monomer ratio in the production of the copolymer, and the weight ratio, the molar ratio and the particle size are shown in Table 1 below.

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또한, 본 실시예 1에서 제조된 폴리(MMA-EDGMA) 공중합체(PME)에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 4에 나타내었다. 상기 도면에 나타낸 바와 같이, 미소구체 형상의 고분자 입자가 제조되었고, 매우 균일한 크기를 갖고 정구에 가까운 형상을 나타내는 점이 확인되었다. A scanning electron microscope (SEM) photograph of the poly (MMA-EDGMA) copolymer (PME) prepared in Example 1 is shown in FIG. As shown in the figure, the polymer particles in the form of microspheres were produced, and it was confirmed that the polymer particles had a very uniform size and a shape close to a tennis ball.

한편, 고분자 입자의 합성 시 단량체 간 중량 비를 변화시켜 제조된 고분자 입자 각각을 30 mL의 물에 첨가하여 분산물을 제조하였으며, 이의 pH 및 제타 포텐셜을 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.On the other hand, the polymer particles prepared by varying the weight ratio between monomers in the synthesis of polymer particles were added to 30 mL of water to prepare dispersions, and their pH and zeta potentials were measured. The results are shown in Fig.

상기 도면에 따르면, 공단량체인 EGDMA 사용량이 증가하더라도 pH 증가 폭은 비교적 적었다. 다면, 제타 포텐셜에 있어서 EGDMA 함량이 증가할수록 점차적으로 감소하였다. 즉, EGDMA 함량이 증가함에 따라 합성된 고분자 입자의 전하 세기는 감소하였음을 알 수 있다. According to the figure, even when the amount of EGDMA used as the comonomer increases, the pH increase width is relatively small. As the EGDMA content increased, the zeta potential gradually decreased. That is, as the EGDMA content increases, the charge intensity of the synthesized polymer particles decreases.

실시예 2Example 2

음전하를 갖는 고분자(설폰화된 폴리스티렌) 입자의 제조Preparation of Polymer (Sulfonated Polystyrene) Particles Having Negative Charge

시드중합(seeded polymerization)에 의하여 디비닐벤젠으로 가교된 폴리스티렌(polystyrene-co-divinyl benzene) 다공성 입자를 합성하였다. 구체적으로, 설폰화된 폴리스티렌 입자는 먼저 스티렌, 개시제(아조비시소부티로니트릴) 및 폴리비닐피롤리돈을 사용하여 70℃에서 물리적 교반과 함께 분산 중합을 수행하여 단분산 폴리스티렌 시드 입자를 제조하였고, 물 및 에탄올의 혼합 용매에 시드 입자를 분산시켰다. 그 다음, 스티렌, 디비닐벤젠, 톨루엔 및 과산화벤조일의 혼합 액적을 물/알코올 혼합 용매 내에서 제조한 후, 반응기에 투입하여 80℃에서 물리적으로 교반하면서 중합하였고, 내부 상 분리를 통하여 다공성 고분자 입자를 수득하였다. 상기 수득된 고분자 입자를 건조시킨 후, 황산 수용액에 투입하여 70℃에서 12 시간 동안 교반한 다음, 정제 및 건조하였다. Porous particles of polystyrene-co-divinyl benzene crosslinked with divinylbenzene were synthesized by seed polymerization. Specifically, the sulfonated polystyrene particles were first subjected to dispersion polymerization with physical stirring at 70 DEG C using styrene, an initiator (azobisisobutyronitrile) and polyvinylpyrrolidone to prepare monodispersed polystyrene seed particles , Seed particles were dispersed in a mixed solvent of water and ethanol. Then, a mixed droplet of styrene, divinylbenzene, toluene, and benzoyl peroxide was prepared in a water / alcohol mixed solvent, and the mixture was put into a reactor and polymerized while being physically stirred at 80 ° C. After the internal phase separation, ≪ / RTI > The obtained polymer particles were dried, put into an aqueous solution of sulfuric acid, stirred at 70 DEG C for 12 hours, purified and dried.

상기와 같이 합성된 폴리스티렌 입자 10 g을 황산 용액(1 M) 200 mL에 투입하였고, 24시간 동안 열을 가하여 70℃에서 산 처리하였다. 이후, 에탄올 및 물로 수회 세척하고 건조함으로써 설폰화된 폴리스티렌 입자를 수득하였다. 이와 같이 제조된, 설폰화된 폴리스티렌 입자의 물성을 하기 표 2에 나타내었다. 10 g of the polystyrene particles synthesized as described above was added to 200 mL of a sulfuric acid solution (1 M), and the mixture was heated for 24 hours and acid-treated at 70 ° C. Thereafter, it was washed several times with ethanol and water and dried to obtain sulfonated polystyrene particles. The physical properties of the thus-prepared sulfonated polystyrene particles are shown in Table 2 below.

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또한, 상기 설폰화된 폴리스티렌 입자의 전자현미경사진을 도 6에 나타내었다. 상기 도면에 따르면, 산 처리에 의하여 고분자 입자가 다소 거친 표면을 갖고 있고, 표면에 다수의 기공(포어)이 형성된 것을 확인할 수 있으며 시드 중합을 통하여 입자의 단분산성을 나타냄을 확인하였다. An electron micrograph of the sulfonated polystyrene particles is shown in Fig. According to the figure, it can be confirmed that the polymer particles have a slightly rough surface by acid treatment, and that many pores (pores) are formed on the surface, and it is confirmed that the particles are monodispersed through seed polymerization.

실시예 3Example 3

음전하를 갖는 고분자 입자의 코팅층이 형성된 분리막의 제조(물리적 결합)Preparation of Separation Membrane with Coating Layer of Polymer Particles Having Negative Charge (Physical Bonding)

실시예 1에서 제조된 고분자 입자 0.1g을 PDMS 필름(시그마 알드리치사 제품명 폴리디메틸 실록산; 두께 0.3 cm)상에 놓고, 또 다른 PDMS 필름으로 러빙하여 단층으로 배열시켰다. 이와 별도로, 상용 고분자 분리막(Celgard 2400; 두께: 25 ㎛; 공극율: 41%; 포어 사이즈: 43 nm) 상에 폴리비닐알코올(PVA) 용액(농도: 10 중량%) 3 mL를 부어 스핀코팅(스핀 속도: 5,000 rpm, 유지시간 5초)을 수행하였는 바, 이때 PVA 코팅층의 두께는 0.8 ㎛이었다. 0.1 g of the polymer particles prepared in Example 1 was placed on a PDMS film (polydimethylsiloxane, product name: Sigma Aldrich Co., Ltd., thickness: 0.3 cm), rubbed with another PDMS film, and arranged in a single layer. Separately, 3 mL of a polyvinyl alcohol (PVA) solution (concentration: 10% by weight) was poured onto a commercially available polymer separator (Celgard 2400; thickness: 25 μm; porosity: 41%; pore size: 43 nm) Speed: 5,000 rpm, holding time: 5 seconds). The thickness of the PVA coating layer was 0.8 탆.

그 다음, PDMS 필름 상에 단층으로 배열된 고분자 입자층이 상용 고분자 분리막 상에 스핀코팅된 PVA 층과 접촉하도록 올려놓고, 약 20 g의 추를 이용하여 가압하면서 건조될 때까지 유지하였다(스탬핑 방식). 이후, PDMS 필름을 제거한 다음, 고분자 입자가 단층으로 코팅된 분리막을 수득하였는 바, 고분자 입자의 코팅 량은 3.5 g/m2이었다. 이와 같이 제조된 코팅된 분리막 표면의 광학 현미경 사진(400 배)을 도 7에 나타내었다. 상기 도면에 따르면, 단분산 특성을 갖는 마이크로사이즈의 폴리(MMA-EGDMA) 고분자 입자가 단층으로 배열되어 있다.Then, a polymer particle layer arranged as a single layer on the PDMS film was placed in contact with the spin-coated PVA layer on the commercial polymer separation membrane, and maintained at a pressure of 20 g using a weight (stamping method) . Thereafter, the PDMS film was removed, and then a separation membrane coated with a single layer of polymer particles was obtained. As a result, the coating amount of the polymer particles was 3.5 g / m 2 . An optical microscope photograph (400 times) of the surface of the thus-prepared coated membrane is shown in Fig. According to the figure, micro-sized poly (MMA-EGDMA) polymer particles having monodispersed characteristics are arranged in a single layer.

실시예 4Example 4

음전하를 갖는 고분자 입자의 코팅층이 형성된 분리막의 제조(화학적 결합)Preparation of Separation Membrane with Coating Layer of Polymer Particles Having Negative Charge (Chemical Bonding)

본 실시예에 사용되는 고분자 입자는 카르복시기를 갖는 한편, 고분자 분리막의 표면은 하이드록시기가 존재하도록 히드록시화(hydroxylation) 처리되었다. 구체적으로, 먼저 이중벽을 갖는 컨테이너 내부에 평평한 유리판을 도입하고, 그 위에 분리막(5 × 5 cm)을 배치하였고, PDMS(25 ㎛)에 배열된 고분자 입자의 단층이 유리판의 표면으로 향하도록 얹었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 외측부에 황산 수용액(70%, 0.1 ml)을 소량 첨가한 물 10 ml을 넣고, 평평한 유리판으로 닫아 80℃에서 3시간 동안 유지하였다. The polymer particles used in this example had a carboxyl group, while the surface of the polymer separation membrane was hydroxylated to have a hydroxy group. Specifically, a flat glass plate was introduced into a container having a double wall, a separation membrane (5 × 5 cm) was placed thereon, and a single layer of polymer particles arranged on PDMS (25 μm) was placed so as to face the surface of the glass plate. As shown in Fig. 2, 10 ml of water containing a small amount of an aqueous solution of sulfuric acid (70%, 0.1 ml) was added to the outer part, and the mixture was closed with a flat glass plate and kept at 80 캜 for 3 hours.

실시예 5Example 5

실시예 2에서 제조된 고분자(설폰화된 폴리스티렌) 입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3에서와 동일한 방법으로 음전하를 갖는 고분자 입자의 코팅층이 형성된 분리막을 제조하였다. 제조된 분리막 표면의 광학 현미경 사진(400 배)을 도 8에 나타내었다. 상기 도면으로부터, 단분산 특성을 갖는 마이크로사이즈의 폴리스티렌 고분자 입자가 단층으로 배열되어 있음을 알 수 있다.A separation membrane having a coating layer of polymer particles having a negative charge was prepared in the same manner as in Example 3, except that the polymer (sulfonated polystyrene) particles prepared in Example 2 were used. An optical microscope photograph (400 times) of the prepared separation membrane surface is shown in Fig. From the figure, it can be seen that micro-sized polystyrene polymer particles having monodisperse properties are arranged in a single layer.

실시예 6Example 6

리튬-황 전지 내에서 분리막의 성능 평가Performance evaluation of separator in lithium-sulfur battery

하기와 같은 구성을 갖는 리튬-황 2차전지를 제작하여 실시예 1에서 제작된 분리막의 성능을 테스트하였다. A lithium-sulfur secondary battery having the following structure was fabricated, and the performance of the separator prepared in Example 1 was tested.

- 양극(cathode)- cathode

원소 황(S8) 및 멀티층을 갖는 탄소나노튜브(시그마 알드리치사의 다중층 탄소나노튜브)을 7 : 3의 중량 비로 혼합하여 기상증착을 이용하여 황-탄소 복합체를 제조하였다. 상기 황-탄소 복합체 재질의 양극 활물질(100 중량%)을 사용하여 필터링 방식으로 전극을 제조하였으며, 이를 알루미늄 집전체 상에 코팅하여 양극을 제조하였다.Sulfur (S 8 ) and carbon nanotubes having multiple layers (multi-layer carbon nanotubes manufactured by Sigma-Aldrich) were mixed at a weight ratio of 7: 3, and sulfur-carbon composites were prepared by vapor deposition. An electrode was prepared by filtering the cathode active material (100 wt%) of the sulfur-carbon composite material and coated on the aluminum current collector to prepare a cathode.

- 음극(anode)- anode

120 ㎛ 두께를 갖는 리튬 포일을 사용하였다.Lithium foil having a thickness of 120 mu m was used.

- 전해액- electrolyte

용매로서 DME/DOL 내에 리튬 염으로서 LiTFSI을 0.5M의 농도로 용해시킨 전해액을 사용하였다.An electrolytic solution in which LiTFSI as a lithium salt was dissolved in DME / DOL at a concentration of 0.5M was used as a solvent.

실시예 3에서 단량체 비율을 달리하는 3종류의 고분자 입자를 단층으로 부착한 분리막을 이용하여 제작된 리튬-황 2차 전지의 수명 특성을 테스트하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다.The lifetime characteristics of the lithium-sulfur secondary battery fabricated using the separator having a single layer of three kinds of polymer particles having different monomer ratios in Example 3 were tested and the results are shown in FIG.

상기 도면에 따르면, 고분자 입자 내 MMA 함량이 가장 높은 경우(붉은색), 사이클 초기에서 용량이 감소하였으나, 다른 고분자 입자를 사용한 경우에 비하여 현저히 높은 용량을 지속적으로 나타내었다. 반면, MMA 함량이 가장 낮은 경우(녹색), 사이클 수 증가에 따라 전지 용량은 급격히 감소하였고, 낮은 수준으로 유지되었다.  According to the figure, when the MMA content in the polymer particle was the highest (red), the capacity was decreased at the beginning of the cycle, but the capacity was markedly higher than that of the other polymer particles. On the other hand, when the MMA content was the lowest (green), the battery capacity rapidly decreased with the number of cycles, and remained low.

한편, 실시예 3에 따라 제조된 분리막(고분자 입자 내 MMA : EGDMA의 중량비는 17 : 3임)을 사용하여 제작된 리튬-황 2차 전지 및 고분자 입자의 코팅층이 형성되지 않은 분리막(비교 목적)을 사용하여 제작된 리튬-황 2차 전지의 제1 사이클 충방전 커브, 60 사이클까지의 전지 용량 변화, 및 60 사이클까지의 전지 효율을 각각 도 10a 내지 도 10c에 나타내었다.On the other hand, the lithium-sulfur secondary battery manufactured using the separator prepared in Example 3 (weight ratio of MMA: EGDMA in the polymer particles: 17: 3) and the separator having no coating layer of polymer particles A first cycle charge / discharge curve of the lithium-sulfur secondary battery manufactured using the above-described lithium-sulfur secondary battery, a change in cell capacity up to 60 cycles, and a cell efficiency up to 60 cycles are shown in Figs. 10A to 10C, respectively.

도 10a에 따르면, 실시예에서와 같이 음전하를 갖는 고분자 입자의 코팅층이 형성된 분리막을 사용하는 경우, 고분자 입자의 코팅층이 형성되지 않은 경우에 비하여 저항이 적게 걸리는 특성을 갖고 있었다. 또한, 도 10b를 참조하면, 고분자 입자의 코팅층을 형성한 경우가 그렇지 않은 경우에 비하여 사이클 수 증가에도 불구하고 안정적인 전지 용량을 나타냄을 확인할 수 있다. 이와 유사하게, 도 10c로부터 확인되는 바와 같이, 고분자 입자의 코팅층이 형성된 분리막을 사용함으로써 높은 수준의 전지 효율이 지속적으로 유지됨을 알 수 있다. As shown in FIG. 10A, when a separation membrane having a coating layer of polymer particles having a negative charge is formed as in the embodiment, resistance is low as compared with the case where a coating layer of polymer particles is not formed. In addition, referring to FIG. 10B, it can be seen that the case of forming the coating layer of polymer particles shows a stable battery capacity despite the increase in the number of cycles, as compared with the case where the coating layer of polymer particles is formed. Similarly, as can be seen from FIG. 10C, it can be seen that a high level of cell efficiency is maintained by using a separation membrane formed with a coating layer of polymer particles.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (20)

a) 표면이 전하를 갖는 고분자 입자를 제공하는 단계;
b) 상기 고분자 입자를 고분자 기재 상에 단층으로 배열시키는 단계;
c) 이와 별도로, 베이스 멤브레인 구조의 적어도 일 면에 바인더 층을 형성하는 단계; 및
d) 상기 고분자 기재 상에 배열된 단층의 고분자 입자를 상기 베이스 멤브레인 구조 상에 형성된 바인더 층에 물리적 결합을 통하여 전사함으로써 상기 고분자 입자를 단층으로 코팅하는 단계;
를 포함하는 전지용 분리막의 제조방법.
the method comprising: a) providing a polymer particle having a surface charge;
b) arranging the polymer particles in a single layer on a polymer substrate;
c) Separately, forming a binder layer on at least one side of the base membrane structure; And
d) transferring the polymer particles of the single layer arranged on the polymer substrate to the binder layer formed on the base membrane structure through physical bonding, thereby coating the polymer particles with a single layer;
And a separator for separating the battery.
a') 표면이 전하를 갖는 고분자 입자를 제공하는 단계;
b') 상기 고분자 입자를 고분자 기재 상에 단층으로 배열시키는 단계;
c') 이와 별도로, 상기 고분자 입자의 표면과 화학적으로 결합 가능하도록 적어도 일 면이 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조를 제공하는 단계; 및
d') 상기 고분자 기재 상에 배열된 단층의 고분자 입자를 상기 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조와 반응시켜 상기 전하를 갖는 고분자 입자를 화학적 결합을 통하여 단층으로 코팅하는 단계;
를 포함하는 전지용 분리막의 제조방법.
a ') providing a polymer particle having a charge on its surface;
b ') arranging the polymer particles in a single layer on a polymer substrate;
c ') Separately, providing a base membrane structure having at least one surface thereof surface-modified so as to be chemically bondable to the surface of the polymer particles; And
d ') reacting the polymer particles of the single layer arranged on the polymer substrate with the surface-modified base membrane structure to coat the polymer particles having the charge with a single layer through chemical bonding;
And a separator for separating the battery.
제1항에 있어서, 상기 물리적 결합은 스탬핑 방식에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.The method of claim 1, wherein the physical connection is formed by a stamping method. 제2항에 있어서, 상기 화학적 결합은 고분자 입자의 표면에 존재하는 카르복시기 및 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조 상의 히드록시기의 에스테르 반응에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.The method according to claim 2, wherein the chemical bond is formed by an ester reaction between a carboxyl group present on the surface of the polymer particle and a hydroxy group on the surface modified base membrane structure. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고분자 입자는 단분산 고분자 입자인 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.The method for manufacturing a separator for a battery according to claim 1 or 2, wherein the polymer particles are monodisperse polymer particles. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고분자 입자의 표면은 이온화(또는 해리)에 의하여 음전하의 관능기를 갖는 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.The method of claim 1 or 2, wherein the surface of the polymer particle has a negative charge group by ionization (or dissociation). 제6항에 있어서, 상기 음전하의 관능기는 설폰산기, 카르복시기, 인산기 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.The method according to claim 6, wherein the functional group of the negative charge is a sulfonic acid group, a carboxyl group, a phosphoric acid group, or a combination thereof. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고분자 입자는 폴리아크릴산 또는 이의 공중합체, 폴리메타크릴산 또는 이의 공중합체, 설폰화된 폴리스티렌 또는 이의 공중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재질인 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.3. The method of claim 1 or 2, wherein the polymer particles are selected from the group consisting of polyacrylic acid or copolymers thereof, polymethacrylic acid or copolymers thereof, sulfonated polystyrene or copolymers thereof, Wherein the separator is formed of a metal. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고분자 입자는 솔리드형, 중공형, 다공형, 다층형 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.The method for producing a separator for a battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the polymer particles are solid, hollow, porous, multi-layer, or a combination thereof. 제1항에 있어서, 상기 바인더 층의 재질은 폴리비닐알코올, 폴리아크릴아미드, 카세인, 젤라틴, 폴리아크릴산 또는 이의 공중합체, 폴리메타크릴산 또는 이의 공중합체, 설폰화된 폴리스티렌 또는 이의 공중합체, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.The method of claim 1, wherein the material of the binder layer is selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyacrylamide, casein, gelatin, polyacrylic acid or copolymer thereof, polymethacrylic acid or copolymer thereof, sulfonated polystyrene or copolymer thereof, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), and combinations thereof. ≪ / RTI > 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 베이스 멤브레인 구조는 다공성 폴리올레핀 재질인 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.The method of claim 1 or 2, wherein the base membrane structure is a porous polyolefin material. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고분자 기재는 고무질 기재로서 폴리디메틸실록산(PDMS), SBS 고무, TPU, NBR, 하이드로겔, PUA, PVA, PI, PMMA, PVDF, SBR 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.The polymer base material according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer base material is a rubbery material comprising polydimethylsiloxane (PDMS), SBS rubber, TPU, NBR, hydrogel, PUA, PVA, PI, PMMA, PVDF, SBR and combinations thereof Lt; RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI > 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고분자 입자는 메타크릴산과 디에틸렌글리콜 메타크릴레이트의 공중합체이며, 중합 반응에서 사용되는 메타크릴산 : 디에틸렌글리콜 메타크릴레이트의 중량 비는 5 내지 9 : 1의 범위인 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법.The polymer particle according to claim 1 or 2, wherein the polymer particle is a copolymer of methacrylic acid and diethylene glycol methacrylate, and the weight ratio of methacrylic acid: diethylene glycol methacrylate used in the polymerization reaction is 5 to 9 : 1. ≪ / RTI > 제4항에 있어서, 상기 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조는 하기 반응식 2 또는 반응식 3에 따라 표면에 히드록시기를 갖는 것을 특징으로 하는 전지용 분리막의 제조방법:
[반응식 2]
Figure pat00007

[반응식 3]
Figure pat00008
.
The method of claim 4, wherein the surface-modified base membrane structure has a hydroxyl group on the surface thereof according to the following Reaction Formula 2 or Reaction Formula 3:
[Reaction Scheme 2]
Figure pat00007

[Reaction Scheme 3]
Figure pat00008
.
베이스 멤브레인 구조;
상기 베이스 멤브레인 구조 상에 형성된 바인더 층; 및
상기 바인더 층 상에 단층으로 배열되는, 표면이 전하를 갖는 고분자 입자 코팅층;
을 포함하며,
상기 고분자 입자 코팅층은 바인더 층에 의한 물리적 결합을 통하여 상기 베이스 멤브레인 구조의 표면에 부착되어 있는 전지용 분리막.
Base membrane structure;
A binder layer formed on the base membrane structure; And
A polymer particle coating layer arranged on the binder layer as a single layer and having a surface charge;
/ RTI >
Wherein the polymer particle coating layer is attached to a surface of the base membrane structure through physical bonding by a binder layer.
적어도 일 면이 반응성 관능기를 갖도록 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조; 및
상기 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조 상에 단층으로 배열된 고분자 입자 코팅층;
을 포함하며,
상기 고분자 입자의 표면은 이온화에 의하여 양전하 또는 음전하를 갖는 관능기를 갖고,
상기 고분자 입자의 관능기는 상기 표면 개질된 베이스 멤브레인 구조 상의 반응성 관능기와 반응하여 상기 고분자 입자가 상기 베이스 멤브레인 구조의 표면과 화학적 결합을 통하여 부착되어 있는 전지용 분리막.
A base membrane structure having at least one surface modified to have a reactive functional group; And
A polymer particle coating layer arranged in a single layer on the surface modified base membrane structure;
/ RTI >
Wherein the surface of the polymer particle has a functional group having a positive charge or a negative charge by ionization,
Wherein the functional groups of the polymer particles react with reactive functional groups on the surface-modified base membrane structure to attach the polymer particles to the surface of the base membrane structure through chemical bonding.
제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 고분자 입자의 평균 사이즈는 200 nm 내지 6 ㎛인 것을 특징으로 하는 전지용 분리막.17. The separator for a battery according to claim 15 or 16, wherein an average size of the polymer particles is 200 nm to 6 m. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 베이스 멤브레인 구조 상의 고분자 입자의 코팅 량은 3 내지 5 g/m2 범위이고, 상기 고분자 입자가 갖는 전하의 세기는 32 내지 38 mV 범위인 것을 특징으로 하는 전지용 분리막.17. The method of claim 15 or 16, wherein the coating amount of the polymer particles on the base membrane structure is in the range of 3 to 5 g / m < 2 >, and the intensity of the charge of the polymer particles is in the range of 32 to 38 mV Battery separator. 황-함유 양극;
리튬-함유 음극;
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 제15항 또는 제16항에 따른 분리막; 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 충진된 액상 전해질;
을 포함하며,
상기 고분자 입자 코팅층이 상기 양극을 향하도록 배치되어 있는 리튬-황 2차 전지.
A sulfur-containing anode;
A lithium-containing negative electrode;
A separation membrane according to claim 15 or 16 disposed between the anode and the cathode; And
A liquid electrolyte filled between the anode and the cathode;
/ RTI >
Wherein the polymer particle coating layer is disposed so as to face the positive electrode.
제19항에 있어서, 상기 황-함유 양극은 원소 황, 황계 유기 화합물, 황계 무기 화합물, 황 함유 고분자 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 리튬-황 2차 전지.The lithium-sulfur secondary battery according to claim 19, wherein the sulfur-containing cathode is elemental sulfur, a sulfur-containing organic compound, a sulfur-containing inorganic compound, a sulfur-containing polymer or a combination thereof.
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