KR20200061719A - Surface treated separation film for lithium secondary battery and surface treatment method of separation film - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a surface treated separation film for a lithium secondary battery and to a method for treating a surface of a separation film for a lithium secondary battery. By treating a surface of a polyolefin separation film with a substance having a polar functional group, a hydrophilic property is given to the polyolefin separation film so as to improve charge/discharge characteristics, the life, and rate characteristics.

Description

표면처리된 리튬이차전지용 분리막 및 리튬이차전지용 분리막의 표면처리 방법{Surface treated separation film for lithium secondary battery and surface treatment method of separation film}Surface treated separation film for lithium secondary battery and surface treatment method of separation film}

본 발명은 표면처리를 통해 소수성인 폴리올레핀 분리막을 친수성으로 개질한 리튬이차전지용 분리막 및 리튬이차전지용 분리막의 표면처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for surface treatment of a separator for a lithium secondary battery and a separator for a lithium secondary battery, which is a hydrophilic modification of a hydrophobic polyolefin separator through surface treatment.

최근 리튬이차전지 시장은 휴대폰, 노트북 등의 소형 IT용 에플리케이션시장에서 ESS, EV 등의 중대형 시장으로 시장을 확대해 나가고 있다. 이차전지의 구성 요소 중 하나인 분리막 역시 이에 맞추어 수요가 증가하고 있다. Recently, the lithium secondary battery market is expanding from a small IT application market such as mobile phones and notebooks to a mid-to-large market such as ESS and EV. The separator, which is one of the components of the secondary battery, is also in increasing demand.

상기 이차전지용 분리막은 기공을 통해 리튬이온이 활발히 이동할 수 있도록 하는 기능과 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하여 전기적 단락과 같은 전지의 안전성 문제를 해결할 수 있는 중요한 기능을 가진다. The separator for the secondary battery has a function of actively moving lithium ions through pores and an important function of preventing physical contact between the positive electrode and the negative electrode to solve the safety problem of the battery such as an electrical short circuit.

중대형 리튬이차전지는 기존 소형 리튬이차전지에 비해 안전성, 내구성, 생산비용의 비중이 매우 높다. 따라서 전지구동 중 과충전, 고온사용, 회로단락, 외부충격으로 인해 과열 발화 가능성이 존재하기 때문에 이러한 안전성을 획기적으로 개선하기 위한 노력이 분리막을 중심으로 진행되고 있다. 또한, 지금까지의 전극 및 전해질 중심적 리튬이차전지 연구개발이 점차 한계점에 도달함에 따라 분리막 개발이 더더욱 중요해진 상황이다. The middle and large-sized lithium secondary battery has a very high proportion of safety, durability, and production cost compared to the existing small-sized lithium secondary battery. Therefore, there is a possibility of overheating ignition due to overcharge, high temperature use, short circuit, and external shock during battery operation, and efforts to significantly improve the safety are being conducted around the separator. In addition, as the research and development of lithium and secondary batteries focusing on electrodes and electrolytes have reached the limit, the development of separators has become more important.

현재 리튬이차전지의 분리막으로 상용화된 폴리올레핀계 다공성 분리막은 재료적 특성 및 제조공정상의 특징으로 고온에서의 열적 안전성 문제점을 지니고 있다. 또한 상기 폴리올레핀 다공성 분리막은 재질의 특성상 소수성으로서, 높은 극성을 지닌 리튬이차전지 전해액에 대한 친화성이 낮아 전해액의 함침성이 낮은 특성을 지니고 있다. Polyolefin-based porous separators, which are currently commercialized as separators for lithium secondary batteries, have thermal safety problems at high temperatures due to material characteristics and manufacturing process characteristics. In addition, the polyolefin porous separator is hydrophobic due to the nature of the material, and has a low affinity for a lithium secondary battery electrolyte having a high polarity, and thus has a low impregnation property of the electrolyte.

최근 들어, 신규 분리막에 대한 요구특성으로 열적 안전성, 기계적 특성 향상 및 전해액에 대한 친화성 개선 등의 분리막의 요구특성을 만족하기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 그러므로 분리막은 열적 안전성을 만족하기 위하여 폴리올레핀계 다공성 분리막 또는 PET 부직포 위에 세라믹 입자 및 바인더 고분자를 코팅하여 제조되는 유무기 복합 분리막에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.In recent years, research and development have been actively conducted to satisfy the required characteristics of the separator, such as thermal safety, mechanical properties, and improved affinity to the electrolyte, as required characteristics for the new separator. Therefore, in order to satisfy the thermal safety, research and development of organic and inorganic composite separators produced by coating ceramic particles and a binder polymer on a polyolefin-based porous separator or a PET nonwoven fabric has been actively conducted.

대표적으로, 대한민국 등록특허 제0775310호는 폴리올레핀 계열 분리막 기재 위에 무기물 입자 및 바인더 고분자의 혼합물이 코팅된 활성층을 포함하는 유무기 복합 다공성 분리막을 개발하여 리튬이차전지에 적용함으로써 열적, 전기화학적 안전성 및 성능 향상을 동시에 도모할 수 있음을 개시하고 있다.Representatively, Korean Patent Registration No. 0775310 developed thermal and electrochemical safety and performance by developing an organic-inorganic composite porous separator comprising an active layer coated with a mixture of inorganic particles and a binder polymer on a polyolefin-based separator substrate and applying it to a lithium secondary battery. It is disclosed that improvement can be simultaneously achieved.

그런데, 기존의 폴리올레핀계 분리막은 아주 소수성인 특성을 지니고 있기 때문에 다른 고분자 바인더와의 접착력이 떨어지므로 기존 폴리올레핀계 분리막에 내열성인 고분자 물질 및 나노섬유 형태를 접합하여도 리튬이차전지 전해액에 넣으면 분리되는 현상이 발생할 수 있다. 이와 같이 세라믹 물질을 분리막 기재상에 코팅하게 되면 열적, 기계적 특성이 향상되어 고온, 과충전 등의 과도한 조건에서도 리튬이차전지의 안전한 특성을 나타내지만, 열적 안전성이 취약한 다공성막의 열수축 억제 및 기계적 안전성을 만족하기 위해서는 바인더 대비 일정비율 이상의 세라믹 입자들이 함유되어야 한다. 그러나 이러한 바인더 대비 세라믹 입자의 양이 증가함에 따라 다공성 기재와의 접착력이 취약하여 코팅된 세라믹 입자들이 다공성 기재로부터 탈리가 일어나는 문제점이 있다. 또한, 전지 조립과정에서 발생되는 응력에 의해 코팅된 세라믹 입자들이 쉽게 탈리될 수 있다. 특히, 세라믹 재료는 분리막의 열적 안전성 및 기계적 특성 향상에 기여하지만, 전지특성 관점에서는 저항으로 작용하여 세라믹 코팅층의 두께가 증가함에 따라 전지특성이 떨어지는 문제점도 지니고 있다.However, since the existing polyolefin-based separator has very hydrophobic properties, adhesion with other polymer binders is poor, so even if a heat-resistant polymer material and a nanofiber form are bonded to the existing polyolefin-based separator, they are separated when put in a lithium secondary battery electrolyte. Symptoms may occur. When the ceramic material is coated on the separator substrate as described above, the thermal and mechanical properties are improved to show the safe characteristics of the lithium secondary battery even under excessive conditions such as high temperature and overcharge, but the thermal stability of the porous membrane, which is poor in thermal safety, is suppressed and the mechanical safety is satisfied. In order to do so, ceramic particles having a certain proportion or more of the binder should be contained. However, as the amount of ceramic particles increases compared to such a binder, adhesion to the porous substrate is weak, and thus, coated ceramic particles have a problem of detachment from the porous substrate. In addition, ceramic particles coated by stress generated in the battery assembly process can be easily detached. In particular, the ceramic material contributes to the improvement of the thermal stability and mechanical properties of the separator, but also has a problem of deteriorating battery characteristics as the thickness of the ceramic coating layer increases as it acts as a resistance from the viewpoint of battery characteristics.

대한민국 등록특허 제1470696호Republic of Korea Registered Patent No. 1470696 대한민국 등록특허 제0775310호Republic of Korea Registered Patent No. 0775310

본 발명의 목적은 표면처리를 통해 소수성인 폴리올레핀 분리막을 친수성으로 개질한 리튬이차전지용 분리막을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a separator for a lithium secondary battery, which is a hydrophilic modification of a hydrophobic polyolefin separator through surface treatment.

또한, 본 발명의 다른 목적은 리튬이차전지용 분리막의 표면처리 방법을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention to provide a surface treatment method of the separator for a lithium secondary battery.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬이차전지용 분리막은 폴리올레핀 분리막의 표면을 극성의 관능기를 갖는 물질로 처리한 것일 수 있다.The separator for a lithium secondary battery of the present invention for achieving the above object may be treated with a material having a polar functional group on the surface of the polyolefin separator.

상기 극성의 관능기를 갖는 물질은 증류수와 혼합하여 사용되는 것일 수 있다.The material having the polar functional group may be used by mixing with distilled water.

상기 극성의 관능기를 갖는 물질과 증류수는 1:99 내지 10:90의 중량비로 혼합될 수 있다.The material having the polar functional group and distilled water may be mixed in a weight ratio of 1:99 to 10:90.

상기 폴리올레핀 분리막은 폴리에틸렌 분리막 또는 폴리프로필렌 분리막일 수 있다.The polyolefin separator may be a polyethylene separator or a polypropylene separator.

상기 극성의 관능기를 갖는 물질은 과황산암모늄, 과산화수소, 차아염소산나트륨, 염소산칼륨, 과요오드산칼륨, 질산은 및 과망가니즈산칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The material having a polar functional group may be at least one selected from the group consisting of ammonium persulfate, hydrogen peroxide, sodium hypochlorite, potassium chlorate, potassium periodate, silver nitrate and potassium permanganate.

또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬이차전지용 분리막의 표면처리 방법은 (A) 극성의 관능기를 갖는 물질의 수용액에 폴리올레핀 분리막을 1 내지 2.5시간 동안 1차 침지시키는 단계; (B) 상기 침지된 폴리올레핀 분리막을 증류수로 세척하는 단계; (C) 상기 세척된 폴리올레핀 분리막을 극성의 관능기를 갖는 물질의 수용액에 1 내지 2.5시간 동안 2차 침지시키는 단계; 및 (D) 상기 침지된 폴리올레핀 분리막을 증류수로 세척한 후 건조시키는 단계;를 포함할 수 있다.In addition, the surface treatment method of the separator for a lithium secondary battery of the present invention for achieving the other object described above is (A) primary immersing the polyolefin separator in an aqueous solution of a substance having a functional group of polarity for 1 to 2.5 hours; (B) washing the immersed polyolefin membrane with distilled water; (C) secondary immersing the washed polyolefin separator in an aqueous solution of a substance having a polar functional group for 1 to 2.5 hours; And (D) washing the immersed polyolefin membrane with distilled water and then drying it.

상기 (A) 및 (C)단계에서 침지는 70 내지 95 ℃ 하에서 수행될 수 있다.The immersion in steps (A) and (C) can be carried out under 70 to 95 °C.

본 발명은 현재 리튬이차전지용 분리막으로 널리 사용되고 있지만 소수성인 표면특성으로 인하여 수명 안정성이 떨어지는 폴리올레핀 분리막의 전기화학적 특성 향상을 위하여 극성의 관능기를 갖는 물질로 화학적 표면처리시켜 폴리올레핀 분리막의 표면특성을 친수성으로 변화시켰다.The present invention is currently widely used as a separator for lithium secondary batteries, but to improve the electrochemical properties of the polyolefin separator having poor life stability due to hydrophobic surface properties, the surface property of the polyolefin separator is made hydrophilic by chemical surface treatment with a material having a polar functional group. Changed.

이러한, 본 발명의 친수성으로 표면이 개질된 리튬이차전지용 분리막은 높은 전해액 함침성과 이온 전도성을 가지므로 뛰어난 전기화학적 특성을 발휘할 수 있다. 특히, 리튬이차전지의 장기수명 열화를 획기적으로 개선시킬 수 있다.The separator for a lithium secondary battery whose surface is modified with the hydrophilicity of the present invention can exhibit excellent electrochemical properties because it has high electrolyte impregnation and ion conductivity. In particular, it is possible to significantly improve the long-term deterioration of the lithium secondary battery.

도 1은 본 발명의 실시예 2에 따라 표면이 개질된 폴리에틸렌 분리막 및 비교예 1에 따라 표면이 개질되지 않은 폴리에틸렌 분리막 표면을 접촉각 측정장치로 촬영한 사진 및 접촉각 수치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 2에 따라 표면이 개질된 폴리에틸렌 분리막 및 비교예 1에 따라 표면이 개질되지 않은 폴리에틸렌 분리막의 전해액 함침율을 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막의 이온 전도도를 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막을 이용하여 제작한 전지의 충전 및 방전 특성을 보여주는 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막을 이용하여 제작한 전지의 율 특성(cyclability)을 측정한 그래프이며, 도 6b는 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막을 이용하여 제작한 전지의 수명 사이클을 나타낸 그래프이다.
1 is a view showing a photograph and a contact angle value of a polyethylene membrane having a surface modified according to Example 2 of the present invention and a polyethylene membrane having a surface unmodified according to Comparative Example 1 with a contact angle measuring device.
2 is a graph measuring the electrolyte impregnation rate of a polyethylene membrane having a surface modification according to Examples 1 and 2 of the present invention and a polyethylene membrane having a surface modification according to Comparative Example 1;
3 is a graph measuring the ionic conductivity of the separators prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 of the present invention.
Figure 4 is a photograph taken with a scanning electron microscope (SEM) of the separator prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 of the present invention.
5 is a graph showing charging and discharging characteristics of a battery manufactured using separators prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 of the present invention.
Figure 6a is a graph measuring the cyclability of the battery produced by using the separators prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 of the present invention, Figure 6b is Examples 1 to 2 and It is a graph showing the life cycle of a battery produced using a separator prepared according to Comparative Example 1.

본 발명은 표면처리를 통해 소수성인 폴리올레핀 분리막을 친수성으로 개질한 리튬이차전지용 분리막 및 리튬이차전지용 분리막의 표면처리 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for surface treatment of a separator for a lithium secondary battery and a separator for a lithium secondary battery, which is a hydrophilic modification of a hydrophobic polyolefin separator through surface treatment.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

상기 폴리올레핀 분리막과 같이 현재 상용화되고 있는 분리막은 강한 물리적 특성과 박막화가 쉽다는 장점으로 인해, 많은 리튬이차전지에 사용되고 있으나, 소재 특성상 소수성(hydrophobicity)을 갖는다. 분리막의 소수성은 전해액의 함침성과 유지력에 많은 문제를 야기하는데, 이러한 문제점을 극복하기 위한 분리막 표면개질 방법으로서 플라즈마(plasma) 처리, 그래프팅(grafting) 반응, 불소화(fluorination) 등과 같은 연구들이 진행되고 있다. 그러나, 상기 표면개질 방법은 공정이 복잡하거나 처리비용이 상승하는 문제점이 있다.Due to the advantages of strong physical properties and easy thinning, the separators currently commercialized, such as the polyolefin separators, are used in many lithium secondary batteries, but have hydrophobicity in material properties. The hydrophobicity of the separator causes many problems in the impregnation and retention of the electrolyte, and studies such as plasma treatment, grafting reaction, fluorination, etc. have been conducted as a method of surface modification of the separator to overcome this problem. have. However, the surface modification method has a problem in that the process is complicated or the processing cost increases.

본 발명에서는 폴리올레핀 분리막의 표면을 극성의 관능기를 갖는 물질로 처리하여 상기 소수성인 폴리올레핀 분리막을 친수성으로 변화시킴으로써, 빠르고 간단하면서 높은 처리비용 없이 폴리올레핀 분리막의 표면을 처리한다.In the present invention, the surface of the polyolefin membrane is treated with a material having a polar functional group to change the hydrophobic polyolefin membrane to hydrophilicity, so that the surface of the polyolefin membrane is processed quickly and simply without high processing cost.

상기 극성의 관능기를 갖는 물질은 용이하게 폴리올레핀 분리막의 표면을 개질시킬 수 있도록 증류수와 혼합된 수용액으로 사용된다. 수용액 형태가 아닌 극성의 관능기를 갖는 물질을 그대로 사용하는 경우에는 친수성으로의 개질이 어려울 뿐만 아니라 다공성으로 존재하는 폴리올레핀 분리막의 물성을 저하시킬 수도 있다.The material having the polar functional group is used as an aqueous solution mixed with distilled water so that the surface of the polyolefin separator can be easily modified. When a substance having a functional group having a polarity other than an aqueous solution is used as it is, modification to hydrophilicity is difficult and physical properties of the polyolefin separation membrane present in porosity may be reduced.

상기 극성의 관능기를 갖는 물질과 증류수는 1:99 내지 10:90의 중량비, 바람직하게는 2:98 내지 7:93의 중량비, 더욱 바람직하게는 2.5:97.5 내지 5:95의 중량비로 혼합된다. 상기 극성의 관능기를 갖는 물질과 증류수의 중량비가 상기 바람직한 범위를 벗어나는 경우에는 소수성인 폴리올레핀 분리막에 친수성이 부여되지 않을 수 있다. 특히, 바람직한 범위의 7:93의 중량비(극성의 관능기를 갖는 물질:증류수)에서 극성의 관능기를 갖는 물질의 함량이 상기 범위 보다 많은 경우에는 분리막에 손상을 입어, 수명이 오히려 단축되고 율 특성이 저하될 수 있다.The material having the polar functional group and distilled water are mixed in a weight ratio of 1:99 to 10:90, preferably a weight ratio of 2:98 to 7:93, and more preferably 2.5:97.5 to 5:95. When the weight ratio of the material having the polar functional group and distilled water is outside the preferred range, hydrophilicity may not be imparted to the hydrophobic polyolefin separator. In particular, when the content of the substance having a polar functional group in the weight ratio of 7:93 in the preferred range (substance having a polar functional group: distilled water) is greater than the above range, the separator is damaged, and its lifespan is rather shortened and rate characteristics are reduced. It may degrade.

본 발명에서 사용한 폴리올레핀 분리막으로는 특별히 한정되지 않지만 바람직하게는 폴리에틸렌 분리막 또는 폴리프로필렌 분리막일 수 있으며; 극성의 관능기를 갖는 물질로는 소수성 물질의 표면에 친수성을 부여할 수 있는 물질이라면 특별히 한정되지 않지만 바람직하게는 과황산암모늄, 과산화수소, 차아염소산나트륨, 염소산칼륨, 과요오드산칼륨, 질산은 및 과망가니즈산칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
The polyolefin separator used in the present invention is not particularly limited, but may preferably be a polyethylene separator or a polypropylene separator; The substance having a polar functional group is not particularly limited as long as it is a substance capable of imparting hydrophilicity to the surface of the hydrophobic substance, but is preferably not limited to ammonium persulfate, hydrogen peroxide, sodium hypochlorite, potassium chlorate, potassium periodate, potassium nitrate, and permanganese And one or more selected from the group consisting of potassium acid.

또한, 본 발명은 소수성의 폴리올레핀 분리막의 표면을 친수성을 변화시키는 분리막의 표면처리 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a surface treatment method of a separator that changes the hydrophilicity of the surface of the hydrophobic polyolefin separator.

본 발명의 리튬이차전지용 분리막의 표면처리 방법은 (A) 극성의 관능기를 갖는 물질의 수용액에 폴리올레핀 분리막을 1 내지 2.5시간 동안 1차 침지시키는 단계; (B) 상기 침지된 폴리올레핀 분리막을 증류수로 세척하는 단계; (C) 상기 세척된 폴리올레핀 분리막을 극성의 관능기를 갖는 물질의 수용액에 1 내지 2.5시간 동안 2차 침지시키는 단계; 및 (D) 상기 침지된 폴리올레핀 분리막을 증류수로 세척한 후 건조시키는 단계;를 포함한다.The surface treatment method of the separator for a lithium secondary battery of the present invention comprises the steps of: (A) first dipping the polyolefin separator in an aqueous solution of a substance having a polar functional group for 1 to 2.5 hours; (B) washing the immersed polyolefin membrane with distilled water; (C) secondary immersing the washed polyolefin separator in an aqueous solution of a substance having a polar functional group for 1 to 2.5 hours; And (D) washing the immersed polyolefin membrane with distilled water and then drying it.

먼저, 상기 (A)단계에서는 극성의 관능기를 갖는 물질의 수용액에 폴리올레핀 분리막을 1 내지 2.5시간 동안 1차 침지시킨다.First, in step (A), the polyolefin separation membrane is first immersed in an aqueous solution of a substance having a polar functional group for 1 to 2.5 hours.

상기 극성의 관능기를 갖는 물질과 증류수가 혼합된 수용액에 폴리올레핀 분리막을 침지시켜 1 내지 2.5시간, 바람직하게는 1 내지 1.5시간 동안 침지시킨다. 침지시간이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 친수성으로 개질되지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 분리막의 품질이 저하될 수 있다.The polyolefin separation membrane is immersed in an aqueous solution in which distilled water is mixed with a substance having a polar functional group, and is immersed for 1 to 2.5 hours, preferably 1 to 1.5 hours. When the immersion time is less than the lower limit of the preferred range, the hydrophilicity may not be modified, and when it exceeds the upper limit, the quality of the separation membrane may be deteriorated.

이때, 상기 극성의 관능기를 갖는 물질의 수용액 온도는 70 내지 95 ℃, 바람직하게는 75 내지 85 ℃이다. 수용액의 온도가 상기 바람직한 범위를 벗어나는 경우에는 소수성의 폴리올레핀 분리막이 친수성으로 개질되지 않을 수 있다.At this time, the temperature of the aqueous solution of the substance having a functional group of the polarity is 70 to 95°C, preferably 75 to 85°C. If the temperature of the aqueous solution is outside the above-mentioned preferred range, the hydrophobic polyolefin separator may not be modified to be hydrophilic.

다음으로, 상기 (B)단계에서는 상기 침지된 폴리올레핀 분리막을 증류수로 세척한다.Next, in step (B), the immersed polyolefin separator is washed with distilled water.

다음으로, 상기 (C)단계에서는 상기 세척된 폴리올레핀 분리막을 극성의 관능기를 갖는 물질의 수용액에 1 내지 2.5시간 동안 2차 침지시킨다.Next, in step (C), the washed polyolefin separation membrane is immersed in an aqueous solution of a substance having a polar functional group for 1 to 2.5 hours.

상기 폴리올레핀 분리막을 상기 수용액에 한 번에 장시간 침지시키는 경우에는 분리막의 전면에 고르게 친수성으로 개질되지 않고 개질되지 않는 부위가 존재할 수 있을 뿐만 아니라 다공성인 분리막의 물성을 저하시킬 수 있으므로, 두 번 이상에 걸쳐 상기 폴리올레핀 분리막을 상기 수용액에 침지시키는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 폴리올레핀 분리막을 상기 수용액에 침지시키는 횟수는 두 번 내지 네 번일 수 있으나, 그 이상 침지시키는 경우에는 전지의 성능이 저하될 수 있다.When the polyolefin separation membrane is immersed in the aqueous solution for a long time at a time, the entire surface of the separation membrane may be uniformly hydrophilic and unmodified, as well as deteriorate the physical properties of the porous separation membrane. It is preferred that the polyolefin separator is immersed in the aqueous solution. Specifically, the number of times the polyolefin separation membrane is immersed in the aqueous solution may be two to four times, but in the case of further immersion, battery performance may be deteriorated.

상기 (C)단계에서도 극성의 관능기를 갖는 물질의 수용액 온도는 70 내지 95 ℃, 바람직하게는 75 내지 85 ℃이다. 수용액의 온도가 상기 바람직한 범위를 벗어나는 경우에는 소수성의 폴리올레핀 분리막이 친수성으로 개질되지 않을 수 있다.Even in step (C), the temperature of the aqueous solution of the substance having a polar functional group is 70 to 95°C, preferably 75 to 85°C. When the temperature of the aqueous solution is outside the above-mentioned preferred range, the hydrophobic polyolefin separation membrane may not be modified to be hydrophilic.

다음으로, 상기 (D)단계에서는 상기 침지된 폴리올레핀 분리막을 증류수로 세척한 후 건조시켜 친수성으로 표면이 개질된 본 발명의 리튬이차전지용 분리막을 수득한다.Next, in the step (D), the immersed polyolefin separator is washed with distilled water and dried to obtain a separator for a lithium secondary battery of the present invention having a hydrophilic surface.

상기와 같이 표면이 개질된 폴리올레핀 분리막은 손실 중량은 1 내지 5 중량%, 바람직하게는 1 내지 3 중량%로 매우 적다.
The surface-modified polyolefin separator has a very low loss weight of 1 to 5% by weight, preferably 1 to 3% by weight.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, a preferred embodiment is provided to help the understanding of the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention, and it is apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and technical scope of the present invention. It is no wonder that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

실시예 1. 과황산암모늄:증류수 = 2.5:97.5의 중량비Example 1. Ammonium persulfate: distilled water = weight ratio of 2.5:97.5

과황산암모늄(ammonium persulfate, APS)을 증류수와 2.5 : 97.5의 중량비로 용해시킨 후 제조된 수용액에 폴리에틸렌 분리막을 침지시켜 80 ℃에서 1시간 30분 동안 처리하였다. 처리가 완료된 후 상기 폴리에틸렌 분리막을 꺼내서 증류수로 세척한 다음 상기 폴리에틸렌 분리막을 뒤집어서 다시 상기 수용액에 침지시켜 80 ℃로 1시간 30분 동안 처리하였다. 두 번의 침지과정이 완료된 후 상기 폴리에틸렌 분리막을 꺼내서 증류수로 세척한 후 건조하여 친수성으로 표면이 개질된 폴리에틸렌 분리막을 수득하였다.
After dissolving ammonium persulfate (APS) in distilled water and a weight ratio of 2.5: 97.5, a polyethylene separation membrane was immersed in the prepared aqueous solution and treated at 80° C. for 1 hour 30 minutes. After the treatment was completed, the polyethylene separation membrane was taken out, washed with distilled water, and then the polyethylene separation membrane was turned over and immersed in the aqueous solution, and then treated at 80°C for 1 hour 30 minutes. After the two dipping processes were completed, the polyethylene separation membrane was taken out, washed with distilled water, and dried to obtain a polyethylene separation membrane having a hydrophilic surface.

실시예 2. 과황산암모늄:증류수 = 5:95의 중량비Example 2. Weight ratio of ammonium persulfate: distilled water = 5:95

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 과황산암모늄과 증류수를 5 : 95의 중량비로 혼합하여 친수성으로 표면이 개질된 폴리에틸렌 분리막을 수득하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out, but ammonium persulfate and distilled water were mixed in a weight ratio of 5:95 to obtain a polyethylene separation membrane having a hydrophilic surface.

비교예 1. 표면 무처리 폴리에틸렌 분리막Comparative Example 1. Surface untreated polyethylene separator

일반 폴리에틸렌 분리막을 증류수에 세척한 후 건조하여 사용한다.
The general polyethylene separator is washed with distilled water and then dried.

<시험예><Test Example>

시험예 1. 접촉각 측정Test Example 1. Contact angle measurement

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 분리막의 표면의 접촉각을 접촉각 측정기(Holmarc)를 이용하여 측정하였다.The contact angle of the surface of the separator prepared according to the above Examples and Comparative Examples was measured using a contact angle meter (Holmarc).

도 1은 본 발명의 실시예 2에 따라 표면이 개질된 폴리에틸렌 분리막 및 비교예 1에 따라 표면이 개질되지 않은 폴리에틸렌 분리막 표면을 접촉각 측정장치로 촬영한 사진 및 접촉각 수치를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a photograph and a contact angle value of a polyethylene membrane having a surface modified according to Example 2 of the present invention and a polyethylene membrane having a surface unmodified according to Comparative Example 1 with a contact angle measuring device.

도 1에 도시된 바와 같이, 실시예 2의 분리막 및 비교예 1의 분리막에 액적을 떨어뜨려 분리막과 액적의 접촉각을 측정한 결과, 실시예 2의 분리막은 접촉각이 63.57°로서 친수성이며, 비교예 1의 분리막은 100.41ㅀ로서 소수성인 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 1, as a result of measuring the contact angle between the separation membrane and the droplet by dropping droplets on the separation membrane of Example 2 and the separation membrane of Comparative Example 1, the separation membrane of Example 2 has a contact angle of 63.57° and is hydrophilic. It was confirmed that the separation membrane of 1 was hydrophobic as 100.41 MPa.

시험예 2. 전해액 함침성(Electrolyte uptake) 측정Test Example 2. Electrolyte uptake measurement

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 분리막을 각각 3 cm X 3 cm로 자른 후 무게(mb)를 측정하고, 1M LiPF6 in EC/DMC(1:1, V/V)(전해액)에 1시간 적신 후 무게(ma)를 측정하여 다음의 수학식 1을 이용하여 분리막의 전해액 함침율을 구하였다.The separators prepared according to the above Examples and Comparative Examples were cut into 3 cm X 3 cm, respectively, and then the weight (mb) was measured, and 1 hour in 1M LiPF6 in EC/DMC (1:1, V/V) (electrolyte). After soaking, the weight (ma) was measured to obtain an electrolyte impregnation rate of the separator using Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

도 2는 본 발명의 실시예 1 및 2에 따라 표면이 개질된 폴리에틸렌 분리막 및 비교예 1에 따라 표면이 개질되지 않은 폴리에틸렌 분리막의 전해액 함침율을 측정한 그래프이다.2 is a graph measuring the electrolyte impregnation rate of a polyethylene membrane having a surface modification according to Examples 1 and 2 of the present invention and a polyethylene membrane having a surface modification according to Comparative Example 1;

도 2에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 분리막은 소수성 특성으로 인해 전해액과의 친화성이 떨어져 전해액 함침율이 79.84%로 낮은 반면에, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 분리막은 비교예 1의 분리막 보다 전해액 함침율이 증가하여 각각 90.48%, 111.95%인 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 2, the separator of Comparative Example 1 has low affinity with the electrolyte due to hydrophobic properties, and the electrolyte impregnation rate is low at 79.84%, whereas the separator prepared according to Examples 1 and 2 is Comparative Example 1 It was confirmed that the impregnation rate of the electrolyte was increased than that of the membranes of 90.48% and 111.95%, respectively.

시험예 3. 이온 전도도(Ionic conductivity) 측정 Test Example 3. Measurement of Ionic conductivity

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 분리막을 전해액에 침적시킨 후 다시꺼내어 이온 전도도를 측정하였다. 이때, 전해액은 상기 시험예 2와 동일한 용액이다.Ion conductivity was measured by immersing the separator prepared according to the above Examples and Comparative Examples in an electrolyte solution and then taking it out again. At this time, the electrolyte solution is the same solution as in Test Example 2.

도 3은 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막의 이온 전도도를 측정한 그래프이다. 3 is a graph measuring the ionic conductivity of the separators prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 분리막의 이온 전도도는 각각 3.16X10-4 S/cm, 3.60X10-4 S/cm으로서 비교예 1의 분리막의 2.66X10-4 S/cm에 비하여 높은 것을 확인하였다. 이는 실시예 1 및 2의 분리막이 리튬이온 이동에 대한 저항성이 비교예 1의 분리막에 비하여 매우 낮다는 것을 의미한다. 3, the example 1 and the ionic conductivity of the resulting separation membrane according to the second are each 3.16X10 -4 S / cm, 3.60X10 -4 S / cm as compared 2.66X10 -4 S of the membrane of Example 1 It was confirmed that it was higher than /cm. This means that the separators of Examples 1 and 2 have a very low resistance to lithium ion migration compared to the separators of Comparative Example 1.

실시예 1 및 2에 따라 제조된 분리막이 비교예 1의 분리막에 비하여 우수한 이온 전도도 특성을 가지는 이유는 공기 투과도 특성 및 전해액 함침성 특성이 향상되었기 때문이다.
The reason that the separators prepared according to Examples 1 and 2 has superior ionic conductivity characteristics compared to the separators of Comparative Example 1 is that air permeability characteristics and electrolyte impregnation characteristics are improved.

시험예 4. 주사전자현미경(SEM) 분석Test Example 4. Scanning electron microscope (SEM) analysis

도 4는 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.Figure 4 is a photograph taken with a scanning electron microscope (SEM) of the separator prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1 및 2, 비교예 1의 분리막은 다공성을 이루고 있으며, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 분리막은 비교예 1과 달리 표면이 친수성으로 개질된 것이다.
As shown in FIG. 4, the separators of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 are porous, and the separators prepared according to Examples 1 and 2 are modified with a hydrophilic surface unlike Comparative Example 1.

시험예 5. 충/방전 사이클 평가_하프셀Test Example 5. Charge/discharge cycle evaluation _ half cell

양극의 제조Preparation of anode

양극활물질로 LiNi0.6Co0.2Mn0.2 92 중량%, 도전제로 Super P 4 중량%, 결합제로 PVdF kf1100 4 중량%를 용제인 N-메틸-2피롤리돈(NMP)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 혼합물 슬러리를 두께가 10 ㎛인 알루미늄박막에 도포 및 건조하여 양극을 제조한 후 롤프레스를 실시하였다.LiNi0.6Co0.2Mn0.2 92% by weight as a positive electrode active material, 4% by weight of Super P as a conductive agent, and 4% by weight of PVdF kf1100 as a binder are added to the solvent N-methyl-2pyrrolidone (NMP) to prepare a slurry of the positive electrode mixture. It was prepared. The positive electrode mixture slurry was applied to an aluminum thin film having a thickness of 10 μm and dried to prepare a positive electrode, followed by roll press.

리튬이차전지의 제조Production of lithium secondary battery

상기 양극과, 상기 실시예 1~2 및 비교예 1의 분리막 각각을 스태킹방식을 이용하여 조립하였으며, 조립된 전지에 1M의 리튬헥사플로로포스페이트가 용해된 에틸렌카보네이트: 에틸메틸카보네이트=3:7(부피비)인 전해액을 주입하여 리튬이차전지를 제조하였다.The positive electrode and each of the separators of Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 were assembled using a stacking method, and ethylene carbonate in which 1 M lithium hexafluorophosphate was dissolved in the assembled battery: ethyl methyl carbonate = 3:7 A lithium secondary battery was prepared by injecting (volume ratio) electrolyte.

이렇게 제작된 상기 실시예1~2 및 비교예 1의 분리막을 이용한 이차전지 각각을 2.8~4.2V 범위에서 0.5 C의 전류밀도로 충방전테스트를 실시하였다. Each of the prepared secondary batteries using the separators of Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 thus manufactured was charged and discharged at a current density of 0.5 C in the range of 2.8 to 4.2 V.

도 5는 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막을 이용하여 제작한 전지의 충전 및 방전 특성을 보여주는 그래프이다.5 is a graph showing charging and discharging characteristics of a battery manufactured using separators prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막은 1, 10, 20, 50 cycle에서 큰 차이를 찾아볼 수 없었다. As shown in FIG. 5, the separation membranes prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 were not found to have a large difference in 1, 10, 20, and 50 cycles.

그러나, 90 cycle에서 실시예 1의 분리막을 이용한 전지는 152/152 mA h g-1, 실시예 2의 분리막을 이용한 전지는 164/160 mA h g-1, 비교예 1의 분리막을 이용한 전지는 143/139 mA h g-1의 충전/방전 용량을 각각 나타내는 것을 확인하였다. 이는 실시예 1~2 분리막의 향상된 이온전도성과 전해액 함침성으로 인하여 비교예 1의 분리막을 이용한 전지에 비하여 우수한 충전/방전 용량을 보이는 것을 의미한다.
However, at 90 cycles, the battery using the separator of Example 1 was 152/152 mA h g-1, the battery using the separator of Example 2 was 164/160 mA h g-1, and the battery using the separator of Comparative Example 1 was It was confirmed that the charge/discharge capacities of 143/139 mA h g-1 were respectively shown. This means that due to the improved ion conductivity and electrolyte impregnation properties of the separators of Examples 1 to 2, it shows superior charge/discharge capacity compared to the battery using the separator of Comparative Example 1.

시험예 6. 율 특성 평가 및 수명 사이클 평가Test Example 6. Rate characteristic evaluation and life cycle evaluation

상기 시험예 5에 따라 제조된 전지의 율 특성 및 수명 사이클을 확인하였다.Rate characteristics and life cycle of the battery prepared according to Test Example 5 were confirmed.

도 6a는 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막을 이용하여 제작한 전지의 율 특성(cyclability)을 측정한 그래프이며, 도 6b는 본 발명의 실시예 1~2 및 비교예 1에 따라 제조된 분리막을 이용하여 제작한 전지의 수명 사이클을 나타낸 그래프이다.Figure 6a is a graph measuring the cyclability of the battery produced by using the separators prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 of the present invention, Figure 6b is Examples 1 to 2 of the present invention and It is a graph showing the life cycle of a battery manufactured using a separator prepared according to Comparative Example 1.

도 6a에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 분리막을 이용한 전지는 첫 cycle에서 176 mA h g-1의 방전 용량을 보여주었지만, cycle이 진행되면서 용량이 점차 감소하여 90 cycle에서는 139 mA h g-1로 저하된 것을 확인하였다.As shown in Figure 6a, the battery using the separator of Comparative Example 1 showed a discharge capacity of 176 mA h g-1 in the first cycle, but gradually decreased capacity as the cycle progressed to 139 mA h g in 90 cycles. It confirmed that it fell to -1.

반면, 실시예 1 및 2의 분리막을 이용한 각 전지는 첫 cycle에서 각각 176 mA h g-1, 177 mA h g-1의 방전 용량으로서, 상기 비교예 1의 분리막을 이용한 전지와 유사한 방전 용량을 보이지만, 90 cycle에서 각각 152 mA h g-1, 164 mA h g-1의 방전 용량으로 상기 비교예 1의 분리막을 이용한 전지와 비교 시 월등히 향상된 율 특성을 확인하였다. 이는 실시예 1 및 2 분리막의 향상된 이온 전도성과 전해액 함침성으로 인하여 비교예 1의 분리막을 이용한 전지에 비하여 우수한 율 특성을 보이는 것이다. 그 이유는 이차전지의 충/방전 수행 중에 전해액의 함침이 불완전해지면 전극 상태의 불균일성이 극대화되어 전극 반응이 집중되고 그 결과 전지의 용량이 저하되기 때문이다. On the other hand, each of the batteries using the separators of Examples 1 and 2 had a discharge capacity of 176 mA h g-1 and 177 mA h g-1, respectively, in the first cycle, and a discharge capacity similar to that of the battery using the separator of Comparative Example 1 above. Although visible, the discharge capacity of 152 mA h g-1 and 164 mA h g-1 at 90 cycles, respectively, was confirmed to significantly improve the rate characteristics compared to the battery using the separator of Comparative Example 1. This shows excellent rate characteristics compared to the battery using the separator of Comparative Example 1 due to the improved ionic conductivity and electrolyte impregnation properties of the separators of Examples 1 and 2. The reason is that when the impregnation of the electrolyte during the charging/discharging of the secondary battery is incomplete, the non-uniformity of the electrode state is maximized, the electrode reaction is concentrated, and as a result, the capacity of the battery is lowered.

또한 도 6b에 도시된 바와 같이, 실시예 2의 분리막을 이용한 전지는 모든 C-rate에서 실시예 1 및 비교예 1의 분리막을 이용한 전지 보다 높은 방전 용량을 보는 것을 확인하였다. 이러한 현상 역시 분리막의 향상된 이온 전도성과 전해액 함침성으로 설명될 수 있다.In addition, as shown in Figure 6b, it was confirmed that the battery using the separator of Example 2 shows a higher discharge capacity than the battery using the separator of Example 1 and Comparative Example 1 at all C-rates. This phenomenon can also be explained by the improved ionic conductivity and electrolyte impregnation properties of the separator.

Claims (7)

폴리올레핀 분리막의 표면을 극성의 관능기를 갖는 물질로 처리한 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막. A separator for a lithium secondary battery, characterized in that the surface of the polyolefin separator is treated with a material having a polar functional group. 제1항에 있어서, 상기 극성의 관능기를 갖는 물질은 증류수와 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막. The separator for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the material having the polar functional group is used by mixing with distilled water. 제2항에 있어서, 상기 극성의 관능기를 갖는 물질과 증류수는 1:99 내지 10:90의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막. [3] The separator for a lithium secondary battery according to claim 2, wherein the material having the polar functional group and distilled water are mixed in a weight ratio of 1:99 to 10:90. 제1항에 있어서, 상기 폴리올레핀 분리막은 폴리에틸렌 분리막 또는 폴리프로필렌 분리막인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막. The separator for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the polyolefin separator is a polyethylene separator or a polypropylene separator. 제1항에 있어서, 상기 극성의 관능기를 갖는 물질은 과황산암모늄, 과산화수소, 차아염소산나트륨, 염소산칼륨, 과요오드산칼륨, 질산은 및 과망가니즈산칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막. According to claim 1, wherein the material having a functional group of the polar is characterized in that at least one member selected from the group consisting of ammonium persulfate, hydrogen peroxide, sodium hypochlorite, potassium chlorate, potassium periodate, silver nitrate and potassium permanganese acid Separator for lithium secondary battery. (A) 극성의 관능기를 갖는 물질의 수용액에 폴리올레핀 분리막을 1 내지 2.5시간 동안 1차 침지시키는 단계;
(B) 상기 침지된 폴리올레핀 분리막을 증류수로 세척하는 단계;
(C) 상기 세척된 폴리올레핀 분리막을 극성의 관능기를 갖는 물질의 수용액에 1 내지 2.5시간 동안 2차 침지시키는 단계; 및
(D) 상기 침지된 폴리올레핀 분리막을 증류수로 세척한 후 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막의 표면처리 방법.
(A) first immersing the polyolefin separator in an aqueous solution of a substance having a polar functional group for 1 to 2.5 hours;
(B) washing the immersed polyolefin membrane with distilled water;
(C) secondary immersing the washed polyolefin separator in an aqueous solution of a substance having a polar functional group for 1 to 2.5 hours; And
(D) washing the immersed polyolefin membrane with distilled water and then drying it.
제1항에 있어서, 상기 (A) 및 (C)단계에서 침지는 70 내지 95 ℃ 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막의 표면처리 방법.
The method of claim 1, wherein the immersion in steps (A) and (C) is performed under 70 to 95°C.
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