KR20210001421A - Seperator and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a separator and a method of manufacturing the same.
전기화학적인 커패시터는 전극의 표면과 전해질 사이에 전기 이중층을 형성함으로써 전기 에너지를 저장하는 장치이다. 이 경우, 전기는 전지처럼 화학작용에 의해 발생하지 않고 단순히 전기 이중층에 의해 저장되기 때문에 전극 자체를 손상시키지 않아 수명이 길고, 충방전 시간이 길지 않아 짧은 시간에 많은 양의 전류를 저장할 수 있다. 그러나, 물리적인 이온의 흡착을 이용하기 때문에 저장 가능한 에너지 밀도는 낮다. 그러므로 이 장치는 고출력이 필요할 때 중요한 전기 저장체이다.Electrochemical capacitors are devices that store electrical energy by forming an electrical double layer between the surface of an electrode and an electrolyte. In this case, since electricity is not generated by a chemical reaction like a battery and is simply stored by an electric double layer, it does not damage the electrode itself, so the lifespan is long, and the charge/discharge time is not long, so that a large amount of current can be stored in a short time. However, the energy density that can be stored is low because it uses physical adsorption of ions. Therefore, this device is an important electrical storage device when high power is required.
특히, 최근에 적정한 에너지 밀도와 출력을 가지는 에너지 저장장치의 필요성이 커지고 있다. 기존의 일반적인 커패시터보다 에너지 밀도가 높고, 일반적인 리튬 이온 배터리보다 출력이 높은 에너지 저장장치로서 슈퍼 커패시터에 대한 연구가 이루어지고 있다.In particular, the necessity of an energy storage device having an appropriate energy density and output is increasing recently. As an energy storage device having higher energy density than conventional capacitors and higher output than general lithium-ion batteries, studies on super capacitors are being conducted.
이러한 슈퍼 커패시터는 에너지를 저장하는 메커니즘의 방식에 따라 간단히 전기 이중층 커패시터 (electrical doublelayer capacitor, EDLC)와 수도 커패시터 (pseudo capacitor)로 분류할 수 있다. 특히, 수도 커패시터는 표면 산화-환원반응을 이용하여 더 큰 비정전용량을 나타낼 수 있다. 이처럼 전극/전해질 계면의 가역적인 산화/환원 반응을 이용하는 수도 커패시터에 대한 연구가 다양하게 이루어지고 있다. These supercapacitors can be simply classified into electrical doublelayer capacitors (EDLC) and pseudo capacitors according to the method of energy storage mechanism. In particular, the water capacitor may exhibit a larger specific capacitance by using a surface oxidation-reduction reaction. As described above, various studies on water capacitors using reversible oxidation/reduction reactions at the electrode/electrolyte interface have been conducted.
일반적으로, 에너지 저장장치는 다수의 셀이 적층된 구조를 포함하며, 이때, 분리막과 전극 사이의 접착이 필요하며, 상기 접착시 충분한 접착이 이루어지지 않으면 전극 또는 분리막이 이탈될 수 있고, 불규칙한 형상으로 적층될 수 있다.In general, an energy storage device includes a structure in which a plurality of cells are stacked, and at this time, adhesion between the separator and the electrode is required, and if sufficient adhesion is not made during the adhesion, the electrode or the separator may be separated, and an irregular shape Can be stacked.
에너지 저장장치 중에서, 수계 전해액을 사용하는 수도 커패시터에서 주로 사용되는 접착 방식인 PVDF(polyvinylidene fluoride) 코팅에 의한 접착 방식은, 상기 PVDF 코팅의 소수성 특성으로 인하여, 접착력은 우수하나 전극의 성능을 크게 악화시키는 문제가 있다. Among the energy storage devices, the adhesion method by PVDF (polyvinylidene fluoride) coating, which is an adhesion method mainly used in water capacitors using an aqueous electrolyte, has excellent adhesion due to the hydrophobic properties of the PVDF coating, but greatly deteriorates the performance of the electrode. There is a problem to let you.
일본공개특허 제2018-147769호는 바인더 수지와 셀룰로오스 섬유를 포함하는 다공질층이 적어도 일면에 형성된 분리막을 개시하고 있으나, 상기 바인더 수지의 소수성 특성으로 인하여 전극의 성능이 저하되는 문제가 있다.Japanese Patent Laid-Open No. 2018-147769 discloses a separator in which a porous layer including a binder resin and cellulose fibers is formed on at least one surface, but there is a problem in that the performance of the electrode is deteriorated due to the hydrophobic property of the binder resin.
또한, 한국공개특허 제2013-0091781호는 친수성 고분자 바인더와 셀룰로오스 섬유를 포함하는 슬러리가 형성된 분리막을 개시하고 있으나, 역시 전극의 성능이 저하되는 문제가 있다.In addition, Korean Patent Application Publication No. 2013-0091781 discloses a separator in which a slurry including a hydrophilic polymeric binder and cellulose fibers is formed, but there is also a problem in that the performance of the electrode is deteriorated.
따라서, 에너지 저장장치에서 전극과 분리막을 접착할 수 있는 기술, 특히, 수계 전해액을 이용하는 수도 커패시터의 에너지 특성을 저하시키지 않으면서 전극과 분리막을 접착할 수 있는 기술 개발이 필요하다.Accordingly, there is a need to develop a technology capable of bonding an electrode and a separator in an energy storage device, in particular, a technology capable of bonding an electrode and a separator without deteriorating the energy characteristics of a water capacitor using an aqueous electrolyte.
본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 다각적으로 연구를 수행한 결과, 폴리올레핀계 수지를 포함하는 다공성 지지체의 양면에 접착성 고분자를 나노섬유 형태로 제조한 접착성 나노섬유를 포함하는 코팅층을 형성하여 분리막을 제조하였으며, 이와 같이 제조된 분리막을 수계 전해액을 이용하는 수도 커패시터에 적용할 경우 접착성능이 우수하면서도 에너지 특성을 저하시키지 않는다는 것을 확인하였다.As a result of conducting various studies to solve the above problems, the present inventors formed a coating layer containing adhesive nanofibers prepared in the form of nanofibers of an adhesive polymer on both sides of a porous support containing a polyolefin resin Was prepared, and it was confirmed that when the prepared separator was applied to a water capacitor using an aqueous electrolyte, the adhesive performance was excellent and the energy characteristics were not reduced.
따라서, 본 발명의 목적은 전극의 에너지 성능을 저하시키지 않으면서 접착성능이 우수한 분리막 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a separator having excellent adhesion performance and a method for manufacturing the same without deteriorating the energy performance of the electrode.
또한, 본 발명의 다른 목적은 이와 같은 분리막을 포함하는 전기화학소자를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide an electrochemical device including such a separator.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 기재부: 및 상기 기재부의 양면에 형성된 접착성 나노섬유 코팅층을 포함하는, 분리막을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a substrate portion: and an adhesive nanofiber coating layer formed on both sides of the substrate portion, Provide a separator.
상기 상기 접착성 나노섬유 코팅층은 접착성 고분자를 포함하는 접착성 나노섬유를 포함하는 것이 수 있다.The adhesive nanofiber coating layer may include adhesive nanofibers including an adhesive polymer.
상기 접착성 고분자는 PVDF(Polyvinylidene fluoride), PVB(polyvinyl butyral), PVA(Polyvinyl alcohol) 및 PA(Polyacrylic acid)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.The adhesive polymer may include one or more selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl alcohol (PVA), and polyacrylic acid (PA).
상기 접착성 나노섬유의 직경은 50 내지 200 nm인 것일 수 있다.The diameter of the adhesive nanofiber may be 50 to 200 nm.
상기 접착성 나노섬유 코팅층의 두께는 0.5 내지 20 ㎛인 것일 수 있다.The thickness of the adhesive nanofiber coating layer may be 0.5 to 20 μm.
상기 접착성 나노섬유의 함량은 상기 접착성 나노섬유 코팅층 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%인 것일 수 있다.The content of the adhesive nanofiber may be 1 to 10% by weight based on the total weight of the adhesive nanofiber coating layer.
상기 기재부는 폴리올레핀계 수지, 불소계 수지, 폴리에스터계 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 셀룰로오스계 재질 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 다공성 필름, 부직포 또는 2층 이상의 적층 구조체를 포함하는 것일 수 있다.The base portion is a porous film, non-woven fabric, or a mixture of two or more selected from the group consisting of polyolefin-based resins, fluorine-based resins, polyester-based resins, polyacrylonitrile resins, cellulose-based materials, and copolymers thereof. It may include a layered structure of more than one layer.
본 발명은 또한, (S1) 접착성 고분자를 용매에 용해시켜 접착성 나노섬유 형성용 방사용액을 형성하는 단계; (S2) 상기 방사용액을 이용하여 접착성 나노섬유를 형성하고, 상기 기재부의 일면에 도포하는 단계; (S3) 상기 접착성 나노섬유가 도포된 기재부를 와인딩(winding)하고 언와인딩(unwinding)하는 공정을 반복하여 기재부의 양면에 접착성 나노섬유 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는, 분리막의 제조방법을 제공한다.The present invention also includes the steps of (S1) dissolving the adhesive polymer in a solvent to form a spinning solution for forming adhesive nanofibers; (S2) forming adhesive nanofibers using the spinning solution, and applying it to one surface of the substrate; (S3) forming an adhesive nanofiber coating layer on both surfaces of the substrate by repeating the process of winding and unwinding the substrate portion coated with the adhesive nanofibers; comprising, a method for manufacturing a separator Provides.
상기 용매는 디메틸 카보네이트, 디메틸 포름아미드, N-메틸 포름아미드, 술폴란(테트라히드로티오펜-1,1-디옥사이드), 3-메틸술폴란, N-부틸 술폰, 디메틸 설폭사이드, 피로리디논(HEP), 디메틸피페리돈(DMPD), N-메틸 피롤리디논(NMP), N-메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 디에틸아세트아마이드(DEAc) 디프로필아세트 아마이드(DPAc), 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥산올, 에틸렌글리콜, 테트라클로로에틸렌, 프로필렌글리콜, 톨루엔, 트르펜틴, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 페트롤 에테르, 아세톤, 크레졸 및 글리세롤로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 유기용매일 수 있다.The solvents include dimethyl carbonate, dimethyl formamide, N-methyl formamide, sulfolane (tetrahydrothiophene-1,1-dioxide), 3-methylsulfolane, N-butyl sulfone, dimethyl sulfoxide, pyloridinone ( HEP), dimethylpiperidone (DMPD), N-methyl pyrrolidinone (NMP), N-methyl acetamide, dimethyl acetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), diethylacetamide (DEAc) dipropylacet One selected from the group consisting of amide (DPAc), ethanol, propanol, butanol, hexanol, ethylene glycol, tetrachloroethylene, propylene glycol, toluene, trpentine, methyl acetate, ethyl acetate, petroleum ether, acetone, cresol and glycerol It may be an organic solvent containing the above.
본 발명은 또한, 상기 분리막을 포함하는 전기화학소자를 제공한다.The present invention also provides an electrochemical device including the separation membrane.
상기 전기화학소자는 수도 커패시터(Pseudo Capacitor)인 것일 수 있다.The electrochemical device may be a Pseudo Capacitor.
본 발명의 분리막에 따르면, 상기 기재부의 양면에 접착성 나노섬유 코팅층이 형성되어 있어, 전기화학소자의 분리막에 적용시, 전극과 분리막 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다.According to the separator of the present invention, since the adhesive nanofiber coating layer is formed on both sides of the base portion, when applied to a separator of an electrochemical device, adhesion between the electrode and the separator can be improved.
또한, 상기 접착성 나노섬유 코팅층은 접착성 나노섬유에 의해 형성된 기공을 포함하는 다공성 구조를 가져, 비표면적이 크기 때문에 소량의 나노섬유를 도포함에도 우수한 접착 특성을 나타낼 수 있다.In addition, the adhesive nanofiber coating layer has a porous structure including pores formed by adhesive nanofibers, and has a large specific surface area, so that it can exhibit excellent adhesive properties even when a small amount of nanofibers is applied.
또한, 상기 접착성 나노섬유 코팅층과 기재부는 모두 다공성 구조를 가지므로, 전해액의 이동을 방해하지 않아, 전기화학소자의 에너지 감소를 최소화할 수 있다. 물을 전해액으로 사용하는 경우 수도 커패시터에서 접착특성을 갖는 소수성 고분자를 이용하여 코팅할 경우 저항이 상승하여 커패시터의 출력이 급격하게 감소하고, 또한 접착특성을 갖는 친수성 고분자를 이용하여 접착할 경우 전해액으로 사용한 물에 의해 용해, 용출 또는 팽윤 등의 현상이 발생하여 커패시터의 충방전 과정 중에 출력이 점차 감소하는 문제점이 발생하나, 본 발명의 분리막은 이와 같은 문제점을 방지할 수 있다.In addition, since both the adhesive nanofiber coating layer and the substrate portion have a porous structure, it does not interfere with the movement of the electrolyte, so that energy reduction of the electrochemical device can be minimized. When water is used as an electrolyte, resistance increases when coating with a hydrophobic polymer having adhesive properties in the water capacitor, and the output of the capacitor rapidly decreases. In addition, when bonding using a hydrophilic polymer having adhesive properties, it is used as an electrolyte. Dissolution, elution, or swelling occurs due to the used water, so that the output gradually decreases during the charging and discharging process of the capacitor, but the separator of the present invention can prevent such a problem.
또한, 본 발명에 따른 분리막은 양면에 기재부의 양면에 접착성 나노섬유를 포함하는 접착성 나노섬유 코팅층이 형성되어 있는 구조이므로, 양극과 음극, 그리고 분리막을 순차적으로 쌓아 배터리 셀(Cell)을 충분히 쌓을 수 있다. 양극, 음극 그리고 분리막이 순차적으로 쌓여질 경우 고에너지밀도의 커패시터 제조가 가능하며 안정적으로 충·방전을 지속할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the separator according to the present invention has a structure in which adhesive nanofiber coating layers including adhesive nanofibers are formed on both sides of the substrate portion on both sides, a positive electrode, a negative electrode, and a separator are sequentially stacked to provide sufficient battery cells. Can be stacked. When the anode, the cathode, and the separator are sequentially stacked, it is possible to manufacture a capacitor with a high energy density, and there is an effect of stably charging and discharging.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 3의 분리막에 대한 SEM(scanning electron microscope) 이미지를 나타낸 것이다.1 is a schematic diagram showing a cross-section of a separator according to an embodiment of the present invention.
2 shows SEM (scanning electron microscope) images of the separation membranes of Example 1 and Comparative Example 3.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid understanding of the present invention.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.
분리막Separator
본 발명은 전기화학소자에 적용할 수 있는 분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a separator applicable to an electrochemical device.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막의 단면을 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a cross-section of a separator according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 분리막(1)은 기재부(10)의 양면에 접착성 나노섬유 코팅층(20)이 형성되어 있는 것일 수 있다. Referring to FIG. 1, the
본 발명에 있어서, 상기 접착성 나노섬유 코팅층은 접착성 고분자를 포함하는 접착성 나노섬유를 포함할 수 있다. 즉, 상기 접착성 나노섬유는 접착성 고분자를 나노섬유 형태로 제조한 것을 의미하는 것일 수 있다. 상기 접착성 나노섬유 코팅층은 상기 접착성 나노섬유에 의해 형성되는 다공성 구조를 가지며, 다시 말해, 상기 접착성 나노섬유 코팅층은 접착성 나노섬유와 기공을 포함할 수 있다.In the present invention, the adhesive nanofiber coating layer may include adhesive nanofibers including an adhesive polymer. That is, the adhesive nanofiber may mean that an adhesive polymer is manufactured in the form of nanofibers. The adhesive nanofiber coating layer has a porous structure formed by the adhesive nanofibers, in other words, the adhesive nanofiber coating layer may include adhesive nanofibers and pores.
본 발명에 있어서, 상기 접착성 고분자는 분리막과 전극 간에 충분한 접착이 이루어지도록 하여, 분리막 또는 전극이 이탈되지 않도록 할 수 있다.In the present invention, the adhesive polymer may allow sufficient adhesion between the separator and the electrode, so that the separator or the electrode does not come off.
상기 접착성 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral, PVB), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid, PA), 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-covinylacetate), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 소수성 바인더일 수 있다.The adhesive polymer is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PA), fluoride- Hexafluoropropylene (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene, polymethylmethacrylate, polyacrylonitrile ), polyvinylacetate, ethylene vinyl acetate copolymer (polyethylene-covinylacetate), polyimide, and polyethylene oxide.It may be at least one hydrophobic binder selected from the group consisting of.
본 발명에 있어서, 상기 접착성 나노섬유는 접착성 나노섬유 코팅층에 포함되어 높은 비표면적을 가지도록 할 수 있으므로, 분리막과 전극의 접착 면적을 실질적으로 증가시키는 역할을 하여 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 나노섬유로 인하여, 상기 분리막이 전극과 접착된 후에도, 상기 접착성 나노섬유 코팅층이 기공을 포함하는 다공성 형태를 유지하므로, 상기 기공을 통해 전해액이 원활하게 이동할 수 있어 전기화학소자의 에너지 감소를 최소화할 수 있다.In the present invention, since the adhesive nanofiber is included in the adhesive nanofiber coating layer to have a high specific surface area, the adhesive strength can be improved by substantially increasing the adhesive area between the separator and the electrode. In addition, due to the nanofibers, even after the separator is adhered to the electrode, the adhesive nanofiber coating layer maintains a porous shape including pores, so that the electrolyte can smoothly move through the pores, thereby reducing the energy of the electrochemical device. The reduction can be minimized.
상기 나노섬유의 직경은 50 내지 200 nm, 바람직하게는 60 내지 150 nm, 보다 바람직하게는 70 내지 100 nm 일 수 있다. 상기 나노섬유의 직경이 50 nm 미만이면 접착성 나노섬유 코팅층의 내구성이 저하될 수 있고, 200 nm 초과이면 비표면적 증가 효과가 미미하여 접착력이 향상이 어려울 수 있고, 전해액의 이동이 어려울 수 있다. 즉, 상기 나노섬유의 직경이 200 nm 초과이면, 상기 나노섬유에 의해 형성되는 다공성 구조의 기공 사이로 해액 내에 포함되어 있는 리튬 이온의 통과가 어려워 에너지 성능이 저하될 수 있다.The diameter of the nanofibers may be 50 to 200 nm, preferably 60 to 150 nm, more preferably 70 to 100 nm. When the diameter of the nanofibers is less than 50 nm, the durability of the adhesive nanofiber coating layer may be deteriorated, and when the diameter of the nanofibers is more than 200 nm, the effect of increasing the specific surface area is insignificant, so that the adhesion may be difficult to improve, and the electrolyte may be difficult to move. That is, when the diameter of the nanofibers exceeds 200 nm, it is difficult to pass lithium ions contained in the solution solution through the pores of the porous structure formed by the nanofibers, thereby reducing energy performance.
또한, 상기 접착성 나노섬유는 상기 접착성 나노섬유 코팅층 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 내지 6 중량%, 보다 바람직하게는 2 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 접착성 나노섬유의 함량이 1 중량% 미만이면 접착성 코팅층에서 다공성 구조가 원하는 형태로 형성되지 않아, 전해액의 이동이 어려워지고 이에 따라 전기화학소자의 에너지 성능이 저하되고, 접착력이 저하될 수 있고, 10 중량% 초과이면 분리막과 전극의 접착시 내구성이 저하될 수 있다.In addition, the adhesive nanofiber may be included in an amount of 1 to 10% by weight, preferably 1 to 6% by weight, more preferably 2 to 5% by weight, based on the total weight of the adhesive nanofiber coating layer. If the content of the adhesive nanofiber is less than 1% by weight, the porous structure is not formed in the desired shape in the adhesive coating layer, making it difficult to move the electrolyte, thereby reducing the energy performance of the electrochemical device, and the adhesion may be reduced. In addition, if it exceeds 10% by weight, durability may decrease when the separator and the electrode are adhered.
본 발명에 있어서, 상기 접착성 나노섬유 코팅층은 두께가 0.5 내지 20 ㎛, 바람직하게는 0.5 내지 5 ㎛, 보다 바람직하게는 0.5 내지 1 ㎛ 일 수 있다. 상기 접착성 나노섬유 코팅층의 두께가 0.5 ㎛ 미만이면 분리막과 전극을 접착할 경우 내구성이 저하될 수 있고, 20 ㎛ 초과이면 전기화학소자 내에서 상기 접착성 나노섬유 코팅층이 저항으로 작용할 수 있다.In the present invention, the adhesive nanofiber coating layer may have a thickness of 0.5 to 20 µm, preferably 0.5 to 5 µm, and more preferably 0.5 to 1 µm. When the thickness of the adhesive nanofiber coating layer is less than 0.5 µm, durability may decrease when the separator and the electrode are bonded, and when it exceeds 20 µm, the adhesive nanofiber coating layer may act as a resistance in the electrochemical device.
또한, 상기 접착성 나노섬유 코팅층은 다공성 구조를 가지며 기공의 기공도는 50 내지 95 %, 바람직하게는 75 내지 95 %, 보다 바람직하게는 85 내지 95% 일 수 있다. 상기 기공도가 50 % 미만이면 전해질의 이동량이 적어 전기화학소자의 성능이 저하될 수 있고, 95% 초과이면 분리막과 전극의 접착시 내구성이 저하될 수 있다.In addition, the adhesive nanofiber coating layer has a porous structure, and the porosity of the pores may be 50 to 95%, preferably 75 to 95%, more preferably 85 to 95%. If the porosity is less than 50%, the mobility of the electrolyte is small, so that the performance of the electrochemical device may be deteriorated. If the porosity is greater than 95%, durability may be reduced when the separator and the electrode are bonded.
본 발명에 있어서, 상기 기재부는 다공성 지지체일 수 있으며, 구체적으로,상기 기재부는 폴리올레핀계 수지, 불소계 수지, 폴리에스터계 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 셀룰로오스계 재질 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 다공성 필름, 부직포 또는 2층 이상의 적층 구조체를 포함하는 것일 수 있다.In the present invention, the substrate portion may be a porous support, and specifically, the substrate portion from the group consisting of a polyolefin resin, a fluorine resin, a polyester resin, a polyacrylonitrile resin, a cellulose-based material, and a copolymer thereof. Any one or a mixture of two or more selected may include a porous film, a nonwoven fabric, or a laminated structure of two or more layers.
상기 폴리올레핀계 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐 중 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상기 불소계 수지는 폴리비닐리덴플루오라이드 및 폴리테트라플루오루에틸렌 중 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 상기 폴리에스터계 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 중 선택되는 1종 이상일 수 있다.The polyolefin-based resin may be one or more selected from polyethylene, polypropylene, polybutylene and polypentene, and the fluorine-based resin may be one or more selected from polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene, and the The polyester resin may be at least one selected from polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate.
또한, 상기 기재부는 평균 기공직경이 0.01 내지 20㎛, 혹은 0.01 내지 1㎛인 미세 기공들을 10 내지 80부피%, 혹은 30 내지 60부피%의 기공도로 구비한 다공성 지지체일 수 있다. 상기한 범위의 평균 기공직경을 갖는 미세기공을 상기한 기공도 범위 내로 포함함으로써 우수한 기계적 강도를 유지할 수 있으며, 이온 물질이 전지의 양극과 음극의 사이를 보다 원활히 이동할 수 있다In addition, the base portion may be a porous support having a porosity of 10 to 80% by volume, or 30 to 60% by volume of micropores having an average pore diameter of 0.01 to 20 μm, or 0.01 to 1 μm. Excellent mechanical strength can be maintained by including micropores having an average pore diameter in the above range within the above-described porosity range, and ionic material can more smoothly move between the positive electrode and the negative electrode of the battery.
분리막의 제조방법Method of manufacturing a separator
본 발명은 또한, (S1) 접착성 고분자를 용매에 용해시켜 접착성 나노섬유 형성용 방사용액을 형성하는 단계; (S2) 상기 방사용액을 이용하여 접착성 나노섬유를 형성하여 상기 기재부의 일면에 도포하는 단계; (S3) 상기 접착성 나노섬유가 도포된 기재부를 와인딩(winding)하고 언와인딩(unwinding)하는 공정을 반복하여 기재부의 양면에 접착성 나노섬유 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는, 분리막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention also includes the steps of (S1) dissolving the adhesive polymer in a solvent to form a spinning solution for forming adhesive nanofibers; (S2) forming adhesive nanofibers using the spinning solution and applying them to one surface of the substrate; (S3) forming an adhesive nanofiber coating layer on both surfaces of the substrate by repeating the process of winding and unwinding the substrate portion coated with the adhesive nanofibers; comprising, a method for manufacturing a separator It is about.
상기 (S1)에서는, 상기 접착성 고분자를 용매에 용해시켜 접착성 나노섬유 형성용 방사용액을 제조할 수 있다. 이때, 상기 접착성 고분자의 종류는 앞서 언급한 바와 동일하다.In the above (S1), the adhesive polymer may be dissolved in a solvent to prepare a spinning solution for forming adhesive nanofibers. At this time, the type of the adhesive polymer is the same as previously mentioned.
상기 용매는 유기 용매일 수 있으며, 상기 유기 용매는 디메틸 카보네이트, 디메틸 포름아미드, N-메틸 포름아미드, 술폴란(테트라히드로티오펜-1,1-디옥사이드), 3-메틸술폴란, N-부틸 술폰, 디메틸 설폭사이드, 피로리디논(HEP), 디메틸피페리돈(DMPD), N-메틸 피롤리디논(NMP), N-메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 디에틸아세트아마이드(DEAc) 디프로필아세트 아마이드(DPAc), 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥산올, 에틸렌글리콜, 테트라클로로에틸렌, 프로필렌글리콜, 톨루엔, 트르펜틴, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 페트롤 에테르, 아세톤, 크레졸 및 글리세롤로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 디메틸포름아미드(DMF) 또는 디메틸포름아미드와 에탄올의 혼합 용매일 수 있다.The solvent may be an organic solvent, and the organic solvent is dimethyl carbonate, dimethyl formamide, N-methyl formamide, sulfolane (tetrahydrothiophene-1,1-dioxide), 3-methylsulfolane, N-butyl Sulfone, dimethyl sulfoxide, pyrolidinone (HEP), dimethyl piperidone (DMPD), N-methyl pyrrolidinone (NMP), N-methyl acetamide, dimethyl acetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), Diethylacetamide (DEAc) Dipropylacetamide (DPAc), ethanol, propanol, butanol, hexanol, ethylene glycol, tetrachloroethylene, propylene glycol, toluene, trpentin, methyl acetate, ethyl acetate, petroleum ether, acetone, It may be one or more selected from the group consisting of cresol and glycerol, preferably dimethylformamide (DMF) or a mixed solvent of dimethylformamide and ethanol.
상기 방사용액의 농도는 고형분 중량을 기준으로 10 내지 25%, 바람직하게는 12 내지 23%, 보다 바람직하게는 15 내지 20%일 수 있다. 상기 방사용액의 농도가 10% 미만이면 나노섬유의 형태로 도포되지 않으며, 고분자 비드의 형태로 분리막에 도포되어 분리막 표면을 막는 현상이 발생할 수 있다. 상기 방사용액의 농도가 25% 이상이면 고분자 용액의 농도가 증가하여 점도가 증가한다. 이로 인하여 나노섬유 도포가 불가능하거나 또는 나노섬유가 아닌 마이크로미터 직경의 섬유가 형성될 수 있다. 이러한 경우 전극에서 저항으로 작용하여 커패시터의 출력을 감소시킬 수 있다.The concentration of the spinning solution may be 10 to 25%, preferably 12 to 23%, more preferably 15 to 20%, based on the weight of the solid content. If the concentration of the spinning solution is less than 10%, it is not applied in the form of nanofibers, and is applied to the separator in the form of polymer beads, thereby blocking the surface of the separator. When the concentration of the spinning solution is 25% or more, the concentration of the polymer solution increases and the viscosity increases. Due to this, it is impossible to apply nanofibers, or fibers having a micrometer diameter other than nanofibers may be formed. In this case, the output of the capacitor can be reduced by acting as a resistor at the electrode.
상기 (S2) 단계에서는, 상기 접착성 나노섬유를 형성하며 기재부의 일면에 도포할 수 있다. 이때, 상기 접착성 나노섬유는 상기 (S1) 단계에서 제조한 방사 용액을 이용하여 전기방사, Solution blowing 또는 원심력을 이용한 방사방법(Force spinning)으로 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 당업계에서 통상적으로 사용되는 나노섬유 제조법을 이용할 수 있다. 즉, 상기 방사용액에 의해 접착성 나노섬유가 형성되면서 상기 기재부의 일면에 도포될 수 있다.In the step (S2), the adhesive nanofiber may be formed and applied to one surface of the substrate. In this case, the adhesive nanofiber may be performed by electrospinning, solution blowing, or force spinning using a centrifugal force using the spinning solution prepared in step (S1), but is not limited thereto. A commonly used nanofiber manufacturing method can be used. That is, while the adhesive nanofiber is formed by the spinning solution, it may be applied to one surface of the substrate.
상기 (S3) 단계에서는, 상기 일면에 접착성 나노섬유가 도포된 기재부를 와인딩(winding)하고 언와인딩(unwinding)하는 공정을 반복하여 나노섬유를 도포하여 기재부의 양면에 접착성 나노섬유 코팅층을 형성할 수 있다.In the step (S3), the process of winding and unwinding the substrate on which the adhesive nanofibers are applied is repeated to apply the nanofibers to form an adhesive nanofiber coating layer on both sides of the substrate. can do.
즉, 상기 기재부의 일면에는 접착성 나노섬유를 도포한 후 다른 일면에 새롭게 접착성 나노섬유를 도포할 수 있도록 와인딩 및 언와인딩 공정을 반속할 수 있다.That is, after applying the adhesive nanofibers to one surface of the substrate, the winding and unwinding processes may be repeated so that the adhesive nanofibers can be newly applied to the other surface.
전기화학소자Electrochemical device
본 발명은 또한, 상기 분리막을 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다. 상기 전기화학소자는 수계 전해액을 포함하는 수도 커패시터일 수 있다.The present invention also relates to an electrochemical device including the separation membrane. The electrochemical device may be a water capacitor including an aqueous electrolyte.
본 발명의 일 측면에 따른 전기화학소자는 양긍, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하고, 상기 분리막이 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 분리막이다. An electrochemical device according to an aspect of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the separator is a porous separator according to an embodiment of the present invention.
이러한 전기화학소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 1차, 이차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 수퍼 캐패시터 소자와 같은 캐퍼시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 상기 이차 전지 중 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함하는 리튬 이차전지가 바람직하다. Such an electrochemical device includes all devices that undergo an electrochemical reaction, and specific examples include all types of primary and secondary batteries, fuel cells, solar cells, or capacitors such as supercapacitor devices. Particularly, among the secondary batteries, lithium secondary batteries including lithium metal secondary batteries, lithium ion secondary batteries, lithium polymer secondary batteries or lithium ion polymer secondary batteries are preferred.
본 발명의 다공성 분리막과 함께 적용될 양극과 음극의 양 전극으로는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. 상기 전극활물질 중 양극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 음극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 바람직하다. 양극 전류집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 전류집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.The positive electrode and the negative electrode to be applied together with the porous separator of the present invention are not particularly limited, and an electrode active material may be prepared in a form bound to an electrode current collector according to a conventional method known in the art. As a non-limiting example of the positive electrode active material among the electrode active materials, a conventional positive electrode active material that can be used for the positive electrode of a conventional electrochemical device may be used, and in particular, lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium iron oxide, or a combination thereof It is preferable to use one lithium composite oxide. As a non-limiting example of the negative electrode active material, a conventional negative electrode active material that can be used for the negative electrode of a conventional electrochemical device may be used, and in particular, lithium metal or lithium alloy, carbon, petroleum coke, activated carbon, Lithium adsorption materials such as graphite or other carbons are preferred. Non-limiting examples of the positive electrode current collector include aluminum, nickel, or a foil manufactured by a combination thereof, and non-limiting examples of the negative electrode current collector include copper, gold, nickel, or a copper alloy or a combination thereof. Manufactured foils and the like.
본 발명의 전기화학소자에서 사용될 수 있는 전해액은 물을 포함하는 수계 전해액일 수 있다. 또한, 추가로 상기 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (g-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.The electrolytic solution that can be used in the electrochemical device of the present invention may be an aqueous electrolytic solution containing water. In addition, further to the electrolytic solution is A + B - A salt of the structure, such as, A + is Li +, Na +, K + comprises an alkaline metal cation or an ion composed of a combination thereof, such as, and B - is PF 6 - , BF 4 -, Cl -, Br -, I -, ClO 4 -, AsF 6 -, CH 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, N (CF 3 SO 2) 2 -, C (CF 2 SO 2 ) A salt containing an ion consisting of an anion or a combination thereof such as 3 - is propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC), Dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethylmethyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone (g-butyrolactone) Alternatively, there may be dissolved or dissociated in an organic solvent composed of a mixture thereof, but is not limited thereto.
상기 전해액 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지 조립 전 또는 전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.The electrolyte injection may be performed at an appropriate step in the battery manufacturing process according to the manufacturing process and required physical properties of the final product. That is, it can be applied before battery assembly or at the final stage of battery assembly.
본 발명은 또한, 상기 수도 커패시터를 단위전지로 포함하는 전지모듈을 제공한다.The present invention also provides a battery module including the water capacitor as a unit cell.
상기 전지모듈은 고온 안정성, 긴 사이클 특성 및 높은 용량 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있다.The battery module can be used as a power source for medium and large-sized devices that require high temperature stability, long cycle characteristics, and high capacity characteristics.
상기 중대형 디바이스의 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the medium and large-sized devices include a power tool that is powered by an omniscient motor and moves; Electric vehicles including electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like; Electric two-wheeled vehicles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooters); Electric golf cart; Power storage systems, etc., but are not limited thereto.
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 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid the understanding of the present invention, but the following examples are only illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It is natural that changes and modifications fall within the scope of the appended claims.
실시예 1: 양면에 접착성 나노섬유 코팅층이 형성된 분리막 제조 Example 1: Preparation of a separator having an adhesive nanofiber coating layer formed on both sides
분리막의 양면에 접착성 코팅층을 형성하기 위한 원료 물질로서, 접착성 고분자는 PVDF(Zheijijiang, Zheflon FL2606)을 DMF(디메틸포름아미드)와 아세톤이 50:50의 중량비로 혼합된 혼합 용매에 16중량%로 용해하여 방사용액을 준비하였다. 전기방사장치(Nano NC, Electrospinning machine)을 이용하여 나노섬유는 직경이 90 nm 인 PVDF 나노섬유를 제조하였으며, 방사 공정에 의해 PVDF 나노섬유가 형성되면서 기재부의 일면에 도포되도록 하였다. 상기 기재부로는 폴리올레핀계 다공성 지지체(Vilene)을 사용하였다.As a raw material for forming an adhesive coating layer on both sides of the separator, the adhesive polymer is 16% by weight of PVDF (Zheijijiang, Zheflon FL2606) in a mixed solvent in which DMF (dimethylformamide) and acetone are mixed in a weight ratio of 50:50. It was dissolved in to prepare a spinning solution. Using an electrospinning machine (Nano NC, Electrospinning machine), PVDF nanofibers with a diameter of 90 nm were prepared as the nanofibers, and PVDF nanofibers were formed by the spinning process and applied to one surface of the substrate. As the substrate part, a polyolefin-based porous support (Vilene) was used.
그 후, 상기 PVDF 나노섬유가 도포된 면이 내부로 감기도록 상기 폴리올레핀계 다공성 지지체를 와이딩(winding)하여, 상기 코팅액이 도포되지 않은 폴리올레핀계 다공성 지지체의 다른 일면에 동일한 방식으로 PVDF 나노섬유를 도포하였다.Thereafter, by winding the polyolefin-based porous support so that the surface on which the PVDF nanofibers are applied is wound inside, the PVDF nanofibers are applied to the other surface of the polyolefin-based porous support to which the coating liquid is not applied. Applied.
이와 같은 와인딩 및 언와인딩 공정을 3차례 반복하여, 상기 폴리올레핀계 다공성 지지체의 양면에 두께 1.0 ㎛의 접착성 나노섬유층을 형성하여, 분림막을 제조하였다.By repeating the above winding and unwinding process three times, an adhesive nanofiber layer having a thickness of 1.0 μm was formed on both surfaces of the polyolefin-based porous support to prepare a powder film.
실시예Example 2: 양면에 접착성 나노섬유 코팅층이 형성된 분리막을 포함하는 수도 커패시터 제조 2: Manufacture of a water capacitor including a separator having an adhesive nanofiber coating layer formed on both sides
양극 활물질로서 LiMn2O4를 70중량%, 도전재로 아세틸렌 블랙(acetylene black)을 20 중량%, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF, polyvinylidene fluoride)를 10중량%로 사용하여 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP, N-Methylpyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 양극 혼합물 슬러리를 두께가 10 ㎛ 정도의 양극 집전체인 니켈(Ni) 박막에 도포하고, 건조하여 양극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 양극을 제조하였다.70% by weight of LiMn 2 O 4 as a positive electrode active material, 20% by weight of acetylene black as a conductive material, and 10% by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and N- A positive electrode mixture slurry was prepared by adding methylpyrrolidone (NMP, N-Methylpyrrolidone). The positive electrode mixture slurry was coated on a nickel (Ni) thin film of a positive electrode current collector having a thickness of about 10 μm, dried to prepare a positive electrode, and then roll press to manufacture a positive electrode.
또한, 음극 활물질로 LiTi2(PO4)3, 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF, polyvinylidene fluoride), 도전재로 아세틸렌 블랙(acetylene black)을 각각 70 중량%, 10 중량% 및 20 중량%로 하여 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP, N-Methylpyrrolidone)에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 혼합물 슬러리를 두께가 10 ㎛ 정도의 음극 집전체인 니켈(Ni) 박막에 도포하고, 건조하여 음극을 제조한 후, 롤 프레스(roll press)를 실시하여 음극을 제조하였다.In addition, LiTi 2 (PO 4 ) 3 as a negative electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVDF, polyvinylidene fluoride) as a binder, and acetylene black as a conductive material in 70% by weight, 10% by weight and 20% by weight, respectively. Then, it was added to N-methylpyrrolidone (NMP, N-Methylpyrrolidone) as a solvent to prepare a negative electrode mixture slurry. The negative electrode mixture slurry was coated on a nickel (Ni) thin film of a negative electrode current collector having a thickness of about 10 μm, dried to prepare a negative electrode, and then roll press to prepare a negative electrode.
상기 양극, 실시예 1에서 제조된 분리막 및 상기 음극을 순차적을 적층한 후, 열압착 방식을 이용하여 수도 커패시터를 제조하였다. 60℃, 150 μm 두께로 압착하였으며, 전해액으로는 수계 전해액인 1M Li2SO4를 포함하는 수계 전해액을 사용하였다.After sequentially stacking the anode, the separator prepared in Example 1, and the cathode, a water capacitor was manufactured using a thermocompression bonding method. It was compressed to a thickness of 60° C. and 150 μm, and an aqueous electrolyte containing 1M Li 2 SO 4 , which is an aqueous electrolyte, was used as the electrolyte.
비교예 1Comparative Example 1
전기방사 공정에 의해 제조된 직경이 220 nm인 접착성 나노섬유를 이용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 분리막을 제조하였다,A separator was prepared in the same manner as in Example 1, except that adhesive nanofibers having a diameter of 220 nm prepared by the electrospinning process were used.
비교예 2Comparative Example 2
실시예 1에서 제조된 분리막 대신 비교예 1에서 제조된 분리막을 사용한 것을 제외하고, 실시예 2와 동일한 방식으로 수도 커패시터를 제조하였다.A water capacitor was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the separator prepared in Comparative Example 1 was used instead of the separator prepared in Example 1.
비교예 3Comparative Example 3
양면에 접착성 나노섬유 코팅층이 형성되지 않은 폴리올레핀계 다공성 지지체(Vilene)를 분리막으로 준비하였다.A polyolefin-based porous support (Vilene) having no adhesive nanofiber coating layer formed on both sides was prepared as a separator.
비교예 4Comparative Example 4
실시예 1에서 제조된 분리막 대신 비교예 3의 분리막을 사용한 것을 제외하고, 실시예 2와 동일한 방식으로 수도 커패시터를 제조하였다.A water capacitor was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the separator of Comparative Example 3 was used instead of the separator prepared in Example 1.
실험예 1: 분리막 표면 확인 Experimental Example 1: Confirmation of the surface of the separator
실시예 1에서 제조된, 양면에 접착성 나노섬유 코팅층이 형성된 분리막과, 비교예 3에서 준비된, 양면에 접착성 나노섬유 코팅층이 형성되지 않은 분리막의 표면을 관찰하였다.The surfaces of the separator prepared in Example 1, on which the adhesive nanofiber coating layer was formed on both sides, and the separator prepared in Comparative Example 3, in which the adhesive nanofiber coating layer was not formed on both sides, were observed.
도 2는 실시예 1 및 비교예 3의 분리막에 대한 SEM(scanning electron microscope) 이미지를 나타낸 것이다.2 shows SEM (scanning electron microscope) images of the separation membranes of Example 1 and Comparative Example 3.
도 2를 참조하면, 실시예 1의 분리막의 경우 평균 직경 64.3 ± 20.1 nm 인 나노섬유가 관찰되어, 상기 분리막의 표면에 형성된 접착성 나노 섬유를 포함하는 접착성 나노섬유 코팅층이 형성된 것을 알 수 있다.2, in the case of the separator of Example 1, nanofibers having an average diameter of 64.3 ± 20.1 nm were observed, and it can be seen that an adhesive nanofiber coating layer including adhesive nanofibers formed on the surface of the separator was formed. .
반면, 비교예 1의 분리막의 경우 평균 직경 1.90 ㎛인 섬유가 관찰되어, 상기 분리막의 표면에 접착성 나노섬유 코팅층이 형성되지 않은 것을 알 수 있다.On the other hand, in the case of the separator of Comparative Example 1, fibers having an average diameter of 1.90 μm were observed, indicating that the adhesive nanofiber coating layer was not formed on the surface of the separator.
실험예 2: 에너지 밀도 측정Experimental Example 2: Measurement of energy density
실시예 2, 비교예 2 및 비교예 4에서 각각 제조된 수도 커패시터에 대해서, 정전류측정법(Biologic 社)을 이용하여 에너지 밀도(Specific energy)를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. For the water capacitors manufactured in Example 2, Comparative Example 2, and Comparative Example 4, respectively, energy density (Specific energy) was measured using a constant current measurement method (Biologic Co., Ltd.), and is shown in Table 1 below.
(Specific energy, kW/kg)Energy output
(Specific energy, kW/kg)
상기 표 1을 참조하면, 실시예 2와 같은 양면에 접착성 나노섬유 코팅층이 형성된 분리막을 포함하는 수도 커패시터는 에너지 출력 저하가 최소화되는 것을 알 수 있다. 직경 220 nm인 접착성 나노섬유를 적용한 분리막을 포함하는 수도 커패시터인 비교예 2의 경우 비교예 4 및 실시예 2 대비 에너지 출력이 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that a water capacitor including a separator having an adhesive nanofiber coating layer formed on both sides as in Example 2 minimizes energy output deterioration. In the case of Comparative Example 2, which is a water capacitor including a separator to which an adhesive nanofiber having a diameter of 220 nm is applied, it can be seen that the energy output is significantly reduced compared to Comparative Examples 4 and 2.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다. In the above, although the present invention has been described by limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following description by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It goes without saying that various modifications and variations are possible within the equivalent range of the claims to be made.
1: 분리막
10: 기재부
20: 접착성 나노섬유 코팅층1: separator
10: base
20: adhesive nanofiber coating layer
Claims (12)
상기 접착성 나노섬유 코팅층은 접착성 고분자를 포함하는 접착성 나노섬유를 포함하는 것인, 분리막.The method of claim 1,
The adhesive nanofiber coating layer is a separator comprising an adhesive nanofiber containing an adhesive polymer.
상기 접착성 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral, PVB), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid, PA), 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-covinylacetate), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인, 분리막.The method of claim 2,
The adhesive polymer is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PA), fluoride- Hexafluoropropylene (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene, polymethylmethacrylate, polyacrylonitrile ), polyvinyl acetate (polyvinylacetate), ethylene vinyl acetate copolymer (polyethylene-covinylacetate), polyimide (polyimide) and polyethylene oxide (polyethylene oxide) that comprises at least one selected from the group consisting of.
상기 접착성 나노섬유의 직경은 50 내지 200 nm인, 분리막.The method of claim 1,
The diameter of the adhesive nanofiber is 50 to 200 nm, the separator.
상기 접착성 나노섬유 코팅층의 두께는 0.5 내지 20 ㎛인, 분리막.The method of claim 1,
The thickness of the adhesive nanofiber coating layer is 0.5 to 20 ㎛, the separator.
상기 접착성 나노섬유의 함량은 상기 접착성 나노섬유 코팅층 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%인, 분리막.The method of claim 2,
The content of the adhesive nanofibers is 1 to 10% by weight based on the total weight of the adhesive nanofiber coating layer, the separator.
상기 기재부는 폴리올레핀계 수지, 불소계 수지, 폴리에스터계 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 셀룰로오스계 재질 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 다공성 필름, 부직포 또는 2층 이상의 적층 구조체를 포함하는, 분리막.The method of claim 1,
The base portion is a porous film, non-woven fabric, or a mixture of two or more selected from the group consisting of polyolefin-based resins, fluorine-based resins, polyester-based resins, polyacrylonitrile resins, cellulose-based materials and copolymers thereof. A separation membrane comprising a layered structure or more.
(S2) 상기 방사용액을 이용하여 접착성 나노섬유를 형성하고, 상기 기재부의 일면에 도포하는 단계;
(S3) 상기 접착성 나노섬유가 도포된 기재부를 와인딩(winding)하고 언와인딩(unwinding)하는 공정을 반복하여 기재부의 양면에 접착성 나노섬유 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는, 분리막의 제조방법.(S1) dissolving the adhesive polymer in a solvent to form a spinning solution for forming adhesive nanofibers;
(S2) forming adhesive nanofibers using the spinning solution, and applying it to one surface of the substrate;
(S3) forming an adhesive nanofiber coating layer on both surfaces of the substrate by repeating the process of winding and unwinding the substrate portion coated with the adhesive nanofibers; comprising, a method for manufacturing a separator .
상기 용매는, 디메틸 카보네이트, 디메틸 포름아미드, N-메틸 포름아미드, 술폴란(테트라히드로티오펜-1,1-디옥사이드), 3-메틸술폴란, N-부틸 술폰, 디메틸 설폭사이드, 피로리디논(HEP), 디메틸피페리돈(DMPD), N-메틸 피롤리디논(NMP), N-메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 디에틸아세트아마이드(DEAc) 디프로필아세트 아마이드(DPAc), 에탄올, 프로판올, 부탄올, 헥산올, 에틸렌글리콜, 테트라클로로에틸렌, 프로필렌글리콜, 톨루엔, 트르펜틴, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 페트롤 에테르, 아세톤, 크레졸 및 글리세롤로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 유기용매인, 분리막의 제조방법.The method of claim 8,
The solvent is dimethyl carbonate, dimethyl formamide, N-methyl formamide, sulfolane (tetrahydrothiophene-1,1-dioxide), 3-methylsulfolane, N-butyl sulfone, dimethyl sulfoxide, pyloridinone (HEP), dimethylpiperidone (DMPD), N-methylpyrrolidinone (NMP), N-methyl acetamide, dimethyl acetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), diethylacetamide (DEAc) dipropyl 1 selected from the group consisting of acetamide (DPAc), ethanol, propanol, butanol, hexanol, ethylene glycol, tetrachloroethylene, propylene glycol, toluene, trpentine, methyl acetate, ethyl acetate, petroleum ether, acetone, cresol and glycerol An organic solvent containing more than one species, a method for producing a separation membrane.
상기 방사용액의 농도는 고형분 중량을 기준으로 10 내지 25%인, 분리막의 제조방법. The method of claim 8,
The concentration of the spinning solution is 10 to 25% based on the weight of the solid content, the method of manufacturing a separation membrane.
상기 전기화학소자는 수도 커패시터(Pseudo Capacitor)인 전기화학소자.
The method of claim 11,
The electrochemical device is an electrochemical device that is a Pseudo Capacitor.
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