KR20210048413A - 세라믹 분리막 - Google Patents

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KR20210048413A
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쯔-난 양
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프로로지움 테크놀로지 코., 엘티디.
프로로지움 홀딩 인크.
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Abstract

본 발명은 복수의 수동형 세라믹 입자들과, 수동형 세라믹 입자들 사이에 배치된 이온-전도성 소재를 주로 포함하는 세라믹 분리막을 제공한다. 수동형 세라믹 입자들의 질량 함량은 세라믹 분리막의 총 질량의 40%보다 크다. 이온-전도성 물질은 주로 금속 이온들을 물질 내부에서 이동시킬 수 있는 중합체 기재 물질과, 금속 염을 해리할 수 있고 가소제 역할을 하는 첨가제로 구성된다. 본 발명의 세라믹 분리막은 고온 안정성과 고온 전기 절연성을 가진다.

Description

세라믹 분리막{CERAMIC SEPARATOR}
본 출원은 2019년 10월 22일에 대만 특허청에 제출된 대만 특허출원 제108138055호에 대해 우선권을 주장하고, 그의 전체 내용은 참조에 의해 여기에 포함된다.
본 발명은 전기화학 시스템의 분리막, 특히 세라믹 분리막에 대한 것이다.
에너지 위기와 에너지 혁명 시대에 2차 화학 에너지는 매우 중요한 역할을 하는 데, 특히 나트륨-이온 배터리, 알루미늄-이온 배터리, 마그네슘-이온 배터리 또는 리튬-이온 배터리와 같이 비-에너지와 비-전력이 높은 금속 이온 배터리가 매우 중요한 역할을 한다. 이 배터리는 정보 및 가전 전자 제품에 적용되며 최근에는 운송 에너지 분야로 확장되었다.
통상의 금속 이온 배터리에서, 양극과 음극 사이의 물리적 접촉을 차단하기 위한 가장 보편적인 방법은 분리막을 사용하는 것이다. 분리막이, 분리 특성을 제외하고, 전기화학적 작용을 수행하기 위하여 이온들이 자유로이 진행할 수 있도록 소정의 이온 전도성을 가지는 것이 또 다른 중요한 요건이다. 그러므로, 분리막의 선택은 에너지 밀도, 전력 밀도, 사이클 효율 및 배터리 안전에서 중요한 역할을 수행한다. 또한, 분리막은 전해질 또는 전극 물질에 대해 화학적이고 전기화학적인 안정성을 가져야 하고, 배터리가 고온에서 천공되거나 연화될 때 양극과 음극을 효율적으로 분리하기 위하여 소정의 기계적 강도와 높은 내온도성을 갖지 않으면 안된다. 예컨대, 1차 리튬 배터리에 현재 폴리프로필렌 미세기공 멤브레인들이 공통적으로 사용되며, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 미세기공 멤브레인들은 현재 2차 리튬 배터리에 공통적으로 사용되고 있다. 그러나, 이들 중합체 물질로 구성된 분리막의 전기 절연은 천공이 발생하거나 고온에서 작동할 때 양호하지 못하다. 그러므로, 중합체 분리막의 사용은 고-전력 출력 및 비교적 고온의 작동 환경의 배터리들에는 적절하지 못하다.
그러므로, 본 발명은 상기 요건들을 충족하기 위한 세라믹 분리막을 제공한다.
본 발명의 목적은 주로 복수의 수동형 세라믹 입자들을 포함하는 세라믹 분리막을 제공하는 것이다. 고온 안정성과 고온 전기절연성을 달성하기 위하여 수동형 세라믹 입자들 사이에 이온-전도성 물질이 배치된다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수의 수동형(passive) 세라믹 입자들과 상기 수동형 세라믹 입자들 사이에 배치된 이온-전도성(conductive) 물질을 주로 포함하는 세라믹 분리막을 제공한다. 수동형 세라믹 입자들의 질량%는 세라믹 분리막의 총 질량의 40%보다 크다. 이온-전도성 물질은 주로 금속 이온들이 상기 물질 내부에서 이동하도록 할 수 있는 중합체 기재 물질과, 금속 염을 해리할 수 있고 가소제 역할을 하는 첨가제와, 이온 공급 물질로 구성된다.
본 발명의 추가적인 적용 범위는 이하에서 설명되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 이 상세한 설명으로부터 이 기술 분야의 통상의 기술자들에게는 본 발명의 사상과 범위 내에 속하는 다양한 변경과 수정들이 명백할 것이므로, 본 발명의 바람직한 실시예들을 표시하지만, 상세한 설명과 특별한 예들은 단지 예로서 제공되는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 단지 아래의 예시에 주어진 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이며, 따라서 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
도 1a는 본 발명에 따른 세라믹 분리막의 수동형 세라믹 입자들과 이온-전도성 물질의 개략도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 브리지 부분과 수동형 세라믹 입자들 사이의 접촉면의 개략도이다.
도 1c-1f는 본 발명에 따른 세라믹 분리막의 수동형 세라믹 입자들과 이온-전도성 물질의 다른 실시예들의 개략도들이다.
도 2a-2f는 본 발명에 따른 세라믹 분리막의 수동형 세라믹 입자들과 이온-전도성 물질의 실시예들의 개략도들이다.
도 2g는 도 2a의 부분 확대도이다.
도 3a-3e는 본 발명에 따른 세라믹 분리막의 수동형 세라믹 입자들과 이온-전도성 물질의 다른 실시예들의 개략도들이다.
본 발명이 특별한 실시예들과 소정의 도면들을 참조하여 설명될 것이나 본 발명은 그들에 한정되지 않고 오직 청구범위에 의하여 한정된다. 청구범위의 소정의 참조 번호들은 보호범위를 한정하는 것으로 해석되지는 않는다. 설명된 도면들은 단지 개략적이며 한정적인 것은 아니다. 도면들에서, 요소들의 일부의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있고 척도상 도시되지 않을 수 있다.
여기 사용된 용어는 단지 특별한 실시예들을 설명하기 위한 것이며 일반적인 발명 개념을 한정하려는 것이 아니다. 여기 사용된 바와 같이, 단수 형태들인 “하나(a)”, “하나(an)”, 및 “ 그(the)”는 명확하게 달리 지시하지 않으면 또한 복수 형태들을 포함하는 것이다. 달리 정의되지 않으면, 여기 사용된 모든 용어들(기술적이며 과학적인 것들을 포함)은 예로서의 실시예들이 속하는 기술 분야의 보통의 전문가에 의하여 통상적으로 이해된 바와 같은 의미를 가진다. 공통으로 사용되는 사전들에서 정의된 바와 같은 용어들은 관련 기술에 비추어진 그들의 의미와 합치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며 여기서 명시적으로 그와 같이 정의되지 않은 한에서 이상적이거나 또는 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니된다.
이 명세서를 관통해서 “일 실시예” 또는 “하나의 실시예”를 참조하는 것은 실시예와 관련해서 설명된 특별한 특성, 구조 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 이와 같이, 본 명세서에서 여러 장소들에서 “일 실시예에서” 또는 “하나의 실시예에서”라는 문구가 사용되는 것은 반드시 모두 같은 실시예를 참조하는 것은 아니나, 동일한 실시예를 참조할 수 있다. 더욱이, 본 명세서로부터 이 기술 분야의 통상의 전문가의 한 사람에게 명백한 바와같이, 특별한 특성, 구조 또는 특징들은 하나 이상의 실시예들에서 소정의 적절한 방식들로 결합될 수 있다.
본 발명의 설명에서, “설치(installation)”, “연결된(connected)”, 및 “배치된(disposed)”이라는 용어는 널리 이해되어야 하며, 예컨대 기계적이거나 전기적일 수 있는 것은 두 부품들 사이의 내부 연결일 수 있는 중간 매체를 통해 직접 또는 간접으로 연결될 수 있다. 본 발명에서 상기 용어들의 특별한 의미는 이 기술 분야의 전문가에 의하여 특별한 상황에서 이해될 수 있다.
우선, 본 발명의 세라믹 분리막은 전기화학 시스템에 적용되며, 양극과 음극 사이를 분리시켜서 그 사이의 물리적 접촉을 방지한다. 세라믹 분리막은 주로 복수의 수동형 세라믹 입자들과, 수동형 세라믹 입자들 사이에 위치된 이온-전도성 물질을 포함한다. 수동형 세라믹 입자들의 질량 함량은 세라믹 분리막의 총 질량의 40%보다 크다. 이온-전도성 물질은 주로 리튬 이온과 같은 금속 이온들을 물질 내에서 이동하도록 할 수 있는 중합체 기재 물질과, 리튬 염과 같은 금속 염을 해리할 수 있고 가소제 역할을 하는 첨가제, 및 이온 공급 물질로 구성된다. 본 발명의 세라믹 분리막은 이온-전도성 물질이 이온 전달을 위하여 사용되는 것을 특징으로 한다. 질량 함량이 세라믹 분리막의 총 질량의 40%보다 큰 수동형 세라믹 입자들은 세라믹 분리막의 주요 구조 지지체로서 작용한다. 그러므로, 고온 안정성과 고온 전기 절연성이 달성된다. 또한 이온-전도성 물질은 추가로 결정 성장 억제 물질을 포함하므로 이온-전도성 물질의 주요 격자 상태를 비정질 상태로 만들어 이온 전달을 촉진할 수 있다.
수동형 세라믹 입자들의 적층에 의하여 형성된 구조는 본 발명에서 “구조 지지체(structural support body)”라고 정의된다. 세라믹 입자들은 이온-전도성 물질과 같은 세라믹 분리막의 다른 조성들에 비교해서 비교적 단단한(rigid) 부분이다. 그러므로, 세라믹 분리막의 길이, 폭과 높이는 세라믹 입자들에 의하여 주로 지지되거나 구성된다.
리튬 이온들과 같은 금속 이온들을 물질 내부에서 이동하도록 할 수 있는 상기 중합체 기재 물질은 그 자체, 리튬 이온들과 같은 금속 이온들을 가지지 않으나(원재료 상태 또는 전기화학 반응의 초기에서), 리튬 이온들과 같은 금속 이온들을 전달할 수 있는 물질을 말한다. 예컨대, 중합체 기재 물질은 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)과 같은 염을 함유하지 않는 선형 구조 물질 또는 염을 미리 함유하는 PEO, 또는 PEO-LiCF3SO3, PEO-LiTFSI-Al2O3 복합 고체 중합체, PEO-LiTFSI-10% TiO2 복합 고체 중합체, PEO-LiTFSI-10% HNT 복합 고체 중합체, PEO-LiTFSI-10% MMT 복합 고체 중합체, PEO-LiTFSI-1% LGPS 복합 고체 중합체 또는 PEO-LiClO4-LAGP와 같은 이온 공급 물질일 수 있다. 또는 이 물질은, 리튬 이온과 같은 금속 이온들을 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 폴리(에틸렌 글리콜)디아크릴레이트(PEGDA), 폴리(에틸렌 글리콜)디메타크릴레이트(PEGDMA), 폴리(에틸렌 글리콜) 모노메틸에테르(PEGME), 폴리(에틸렌 글리콜) 디메틸에테르(PEGDME), 폴리[에틸렌 옥사이드-코-2-(2-메톡시에톡시)에틸 글리시딜 에테르](PEO/MEEGE), 폴리[비스(트리에틸렌 글리콜)벤조에이트]와 같은 과분지형 중합체 또는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리(메타크릴로니트릴)(PMAN) 또는 폴리(N-2-시아노에틸)에틸렌아민(PCEEI)과 같은 폴리니트릴과 같은 가교 구조로 인해 기계적 막 형성 강도를 높일 수 있는 물질이다.
결정 성장 억제 물질은 폴리(에틸 메타크릴레이트)(PEMA), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 폴리(옥시에틸렌), 폴리(시아노아크릴레이트)(PCA), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리(비닐 알코올)(PVA), 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리(비닐 클로라이드)(PVC), PVC-PEMA, PEO-PMMA, 폴리(아크릴로니트릴-코-메틸 메타크릴레이트) P(AN-co-MMA), PVA-PVdF, PAN-PVA, PVC-PEMA, 폴리(에틸렌 옥사이드-코-에틸렌 카보네이트)(PEOEC), 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(POSS), 폴리에틸렌 카보네이트(PEC), 폴리(프로필렌 카보네이트)(PPC), 폴리(에틸 글리시딜 에테르 카보네이트)(P(Et-GEC) 또는 폴리(t-부틸 글리시딜 에테르 카보네이트)(P(tBu-GEC))와 같은 폴리카보네이트, 폴리(트리메틸렌 카보네이트)(PTMC)와 같은 고리형 카보네이트, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리(디메틸 실록산-코-에틸렌 옥사이드)(P(DMS-co-EO)), 또는 폴리(실록산-g-에틸렌옥사이드)와 같은 폴리실록산계, 에틸렌 아디페이트, 에틸렌 숙시네이트 또는 에틸렌 말로네이트와 같은 폴리에스테르와 같은 결정성(crystallinity)을 감소시키는 물질 중에서 선택된다. 또한, 결정 성장 억제 물질은 폴리(비닐리덴디플루오라이드헥사플루오로프로필렌)(PvdF-HFP), 폴리(비닐리덴디플루오라이드)(PvdF) 또는 폴리(ε-카프로락톤)(PCL)이다.
리튬 염과 같은 금속 염을 해리할 수 있고 가소제 역할을 하는 첨가제는 숙시노니트릴(SN)[ETPTA//SN; PEO/SN; PAN/PVA-CN/SN], N-에틸-N-메틸피롤리디늄, [C2mpyr] + 음이온N, N-디에틸-피롤리디늄, [C2epyr], 4차 알킬암모늄, n-알킬트리메틸포스포늄, [P1,1,1,n], 데캄에틸페로-세늄, [Fe(C5Me5)2], 1-(N,N-디메틸암모늄)-2-(암모늄)에탄 트리플레이트([DMEDAH2][Tf]2), 음이온=[FSI], [FSA], [CFSA], [BETA], LiSi(CH3)3(SO4), 또는 트리메티(리튬 트리메틸 실릴 설페이트)와 같은 플라스틱 결정 전해질(PCE), 또는 이온성 액체로서, 음이온/비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 음이온/비스(플루오로설포닐)이미드, 또는 음이온/트리플루오로메탄설포네이트와 같은 이미다졸륨, 또는 음이온/비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드와 같은 암모늄, 또는 음이온/비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 음이온/비스(플루오로설포닐)이미드와 같은 피롤리디늄, 또는 음이온/비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 음이온/비스(플루오로설포닐)이미드와 같은 피페리디늄 중에서 선택될 수 있는 이온성 액체로부터 선택될 수 있다.
이온 공급 물질은 LiTFSI, LiFSI, LiBF4,또는 LiPF6와 같은 리튬 염일 수 있다.
더욱이, 이온-전도성 물질은 추가로 나노미터 크기의 제2 도펀트를 포함하며, 이는 수동형 세라믹 물질, 무기 고체 전해질 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 제2 도펀트가 수동형 세라믹 물질일 때, 중합체 기재 물질 및 첨가제의 사용량은 감소될 수 있으며, 막 형성 성능 또한 향상될 수 있으므로 막 형성 강화제로서 기능할 수 있다. 수동형 세라믹 물질은, 예컨대, 실리콘 이산화 규소일 수 있다.
더욱이, 중합체 기재 물질의 유동성은 첨가제를 첨가함으로써 향상된다. 이와 같이, 중합체 기재 물질은 실온에서 더 높은 이온 전도성과 더 나쁜 기계적 특성을 가지므로 수동형 세라믹 입자들의 외부 표면을 덮거나, 또는 수동형 세라믹 입자들의 표면에서 기공들 내부로 충진된다. 또한, 이온성 액체와 같은 첨가제는 비휘발성이다. 인화성 가스가 생성되는 문제는 발생하지 않을 것이다. 그리고, 이온-전도성 물질은 건조 과정에서 첨가된 첨가제의 휘발에 의해 크기 수축 및 이온 전도율의 저하를 유발하지 않을 것이다.
이하의 실시예들에서, 세라믹 분리막의 제1 입자와 제2 입자는 수동형 세라믹 입자들로 표현되고, 이온-전도성 물질은 상대적인 구조 또는 위치들을 나타내도록 표현된다. 세라믹 분리막의 수동형 세라믹 입자들의 양에 대한 제한은 없다.
본 발명의 세라믹 분리막의 수동형 세라믹 입자들과 이온-전도성 물질의 일 실시예를 도시하는 도 1a를 참조하십시오. 도시된 바와 같이, 세라믹 분리막(1)은 제1 수동형 세라믹 입자인 제1 입자(11)와, 제2 수동형 세라믹 입자인 제2 입자(12)를 포함하고, 브리지 부분(bridging portion)(13)은 제1 입자(11)와 제 2 입자(2) 사이에 위치되고 이온-전도성 물질로 구성되어 이온 전달 경로로 작용한다. 전술한 바와 같이, 중합체 기재 물질의 유동성은 이온성 액체와 같은 첨가제의 첨가에 의하여 개선된다. 중합체 기재 물질은 상온에서 더 높은 이온 전도성과 더 낮은 기계적 강도를 가지므로 제1 입자와 제2 입자 사이에 충진될 것이다. 그러므로, 제1 입자(11)는 브리지 부분(13)에 의하여 표면 대 표면 또는 근사 함침(approximate impregnation) 코팅 유형의 접촉 방식으로 또 다른 입자에 접촉할 수 있다.
본 발명의 표면 대 표면 또는 근사 함침 코팅 유형의 접촉은 도 1b에 도시된다. 예컨대, 제1 입자(11)는 반경(D1)을 갖는 구이고, 제2 입자(12)는 반경(D2)을 갖는 구이다. 브리지 부분(13)과 제1 입자(11) 사이의 접촉은 중심각(θ1)을 갖는 호의 길이(r1)이다. 따라서 호의 길이(r1)는 2πD1*θ1/360(0 < θ1 < 90)이 될 것이다. 브리지 부분(13)과 제2 입자(12) 사이의 접촉은 중심각(θ2)을 갖는 호의 길이(r2)이다. 따라서 호의 길이(r2)는 2πD2*θ2/360 (0 < θ2 < 90)이 될 것이다. 제1 입자(11)와 제2 입자(12)의 이온 전달을 위한 유효 접촉 길이는 호의 길이(r1, r2)이다.
이온 전달을 제외하고, 세라믹 분리막의 상기 중합체 기재 물질은 표면 대 표면 또는 근사 함침 코팅 유형의 접촉 방식으로 제1 입자(11)와 제2 입자(12)을 부착하거나 접촉시키기 위하여 접착제 및 막 형성제로서 작용한다.
본 발명의 또 다른 실시예를 도시하는, 도 1c를 참조한다. 도시된 바와 같이, 제1 입자(11) 및 제2 입자(12)에 접촉하지 않는 브리지 부분(13)의 표면은 제1 도펀트(14)를 포함한다. 제1 도펀트(14)는 제1 입자(11)와 제2 입자(12)의 크기보다 작은 크기를 갖으며 제3의 수동형 세라믹 입자, 무기 고체 전해질, 또는 이들의 조합에서 선택된다. 또한, 제1 도펀트(14)는 도 1d에 도시된 바와 같이, 제1 입자(11)와 제2 입자(12)의 외부 표면들로 연장될 수 있다. 또한, 제1 도펀트(14)는 제1 입자(11)와 제2 입자(12)의 외부 표면들의 하나에만 연장될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예를 도시하는, 도 1e를 참조한다. 도시된 바와 같이, 브리지 부분(13)은 추가로 나노미터 크기를 가지는 제2 도펀트(15)를 포함하고, 제2 도펀트(15)는 무기 고체 전해질, 수동형 세라믹 물질, 또는 그 결합에서 선택된다.
브리지 부분(13)에서 제2 도펀트(15)가 혼합되는 실시예는 도 1c 또는 도 1d의 상기 설명한 실시예와 결합될 수 있다. 예컨대, 도 1f를 참조하면, 제2 도펀트(15)는 브리지 부분(13)에서 혼합되고, 제1 입자(11)와 제2 입자(12)와 접촉하지 않은 브리지 부분(13)의 표면들은 제1 도펀트(14)를 포함한다.
후속 실시예에서, 동일한 구조, 물질 또는 특성을 갖는 구성 요소는 동일한 명칭 및 부호로 표시된다.
본 발명의 세라믹 분리막의 수동형 세라믹 입자들과 이온-전도성 물질의 또 다른 실시예를 도시하는 도 2a를 참조한다. 도시된 바와 같이, 세라믹 분리막(2)은 제1 입자(11), 제2 입자(12), 및 제1 입자(11)의 외부 표면을 덮는 제1 쉘(shell)층(21)을 포함한다. 이온-전도성 물질로 구성되는 제1 쉘 층(21)은 제1 입자(11)와 제2 입자(12)를 부착하기 위하여 사용된다. 도 2a의 부분 확대도인 도 2g에 도시된 바와 같이, 더 안좋은 기계적 특성을 가지는 이온-전도성 물질에 기초해서, 제2 입자(12)와 제1 쉘 층(21)의 부착 위치는 점 대 점 접촉 방식 대신에 표면 대 표면 또는 근사 함침 방식으로 실행된다. 이어지는 설명에서, 이온-전도성 물질로 형성된 부품들은 단단한 표면을 가지거나 또는 고정-형상의 외형을 가지는 또 다른 물질(입자)에 접촉할 때 동일한 함침 코팅 유형의 접촉일 것이다.
도 2a의 실시예와 비교되는 도 2b를 참조하면, 제1 도펀트(14)는 제1 쉘 층(21)의 외부 표면에 포함되고, 추가로 제2 입자(12)의 외부 표면으로 연장된다. 도 2b의 실시예와 비교되는 도 2c를 참조하면, 제2 도펀트(15)가 제1 쉘 층(21)에서 혼합된다. 도 2d를 참조하면, 제2 쉘 층(22)은 제2 입자(12)의 외부 표면에 형성될 수 있다. 제2 쉘 층(22)은 또한 이온-전도성 물질로 구성된다.
도 2d의 실시예와 비교되는 도 2e를 참조하면, 제1 도펀트(14)가 제1 쉘 층(21)과 제2 쉘 층(22)의 외부 표면에 포함된다. 더욱이, 제1 도펀트(14)는 단지 제1 쉘 층(21)과 제2 쉘 층(22)의 외부 표면의 하나에만 포함될 수 있다. 도 2e의 실시예와 비교되는 도 2f를 참조하면, 제2 도펀트(15)가 제1 쉘 층(21)과 제2 쉘 층(22)에서 혼합된다. 더욱이, 제2 도펀트(15)는 제1 쉘 층(21) 또는 제2 쉘 층(22)에서 혼합될 수 있다.
본 발명의 세라믹 분리막의 수동형 세라믹 입자들과 이온-전도성 물질의 또 다른 실시예를 도시하는, 도 3a를 참조한다. 도시된 바와 같이, 세라믹 분리막(3)은 제1 입자(11), 제2 입자(12), 제1 입자(11)의 외부 표면을 덮는 제1 쉘 층(21), 제2 입자(12)의 외부 표면을 덮는 제2 쉘 층(22), 및 제1 쉘 층(21)과 제2 쉘 층(22) 사이에 위치되고 그들 사이에 연결되거나 부착된 브리지 부분(13)을 포함한다. 제1 쉘 층(21), 제2 쉘 층(22), 및 브리지 부분(13)은 이온-전도성 물질로 구성된다.
도 3a의 실시예와 비교되는 도 3b를 참조하면, 제1 도펀트(14)는 제1쉘 층(21)과 제2 쉘 층(22)에 접촉하지 않는 브리지 부분(13)의 표면에 포함된다. 도 3b의 실시예와 비교되는 도 3c를 참조하면, 제1 도펀트(14)는 추가로 제1 쉘 층(21)과 제2 쉘 층(22)의 외부 표면으로 연장될 수 있다. 더욱이, 제1 도펀트(14)는 제1 쉘 층(21) 또는 제 2쉘 층(22)의 외부 표면들의 어느 하나로 연장될 수 있다.
도 3c의 실시예와 비교되는 도 3d를 참조하면, 제2 도펀트(15)는 제1 쉘 층(21), 제2 쉘 층(22) 및 브리지 부분(13)에서 혼합된다.
도 3d의 실시예에 비교하는 도 3e를 참조하면, 제1 도펀트(14)는 추가로 제1 쉘 층(21), 브리지 부분(13) 및 제2 쉘 층(22)의 외부 표면으로 연장된다.
본 발명의 제1 도펀트(14)와 제2 도펀트(15)는 제1 입자(11)와 제2 입자(12)의 크기보다 작은 입자 크기를 가지는 수동형 세라믹 입자들이다. 이온-전도성 물질의 사용 양은 절감될 수 있고, 막 형성 강화제로 작용할 수 있다.
제1 입자(11)와 제2 입자(12)는 동일하거나 다른 물질일 수 있으며, 제1 도펀트(14)와 제2 도펀트(15)는 동일하거나 다른 물질일 수 있다.
따라서, 본 발명은 복수의 수동형 세라믹 입자들과, 수동형 세라믹 입자들 사이에 위치된 이온-전도성 물질을 주로 포함하는 세라믹 분리막을 제공한다. 수동형 세라믹 입자들의 질량 함량은 세라믹 분리막의 총 질량의 40%보다 크다. 이온-전도성 물질은 주로 물질 내에서 금속 이온이 이동하도록 할 수 있는 중합체 기재 물질과, 금속 염을 해리할 수 있고 가소제 역할을 하는 첨가제, 및 이온 공급 물질로 구성된다. 본 발명의 세라믹 분리막은 고온 안정성과 고온 전기 절연성을 가진다.
이와 같이 본 발명이 설명되었으므로, 본 발명은 여러 방식으로 변경될 수 있음이 명백할 것이다. 이러한 변형은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나는 것으로 간주되어서는 안 되며, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 이러한 모든 변형은 다음의 청구 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
11: 제1 입자 12: 제2 입자 13: 브리지 부분

Claims (18)

  1. 전기화학 시스템의 양극과 음극을 분리시키도록 형성된 세라믹 분리막으로서, 상기 세라믹 분리막은:
    복수의 수동형 세라믹 입자들; 및
    상기 수동형 세라믹 입자들 사이에 배치되는 이온-전도성 물질을 포함하고,
    상기 이온-전도성 물질은:
    금속 이온이 내부에서 이동하도록 할 수 있는 중합체 기재 물질과;
    금속 염을 해리할 수 있고 가소제 역할을 하는 첨가제; 및
    이온 공급 물질을 포함하고;
    상기 수동형 세라믹 입자들은 전체 질량의 40%보다 큰 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온-전도성 물질은 추가로 결정 성장 억제 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이온 공급 물질은 리튬 염인 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이온-전도성 물질은 나노미터 크기의 제2 도펀트를 추가로 포함하고, 상기 제2 도펀트는 수동형 세라믹 물질, 무기 고체 전해질, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중합체 기재 물질은 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리(에틸렌 글리콜)디아크릴레이트(PEGDA), 폴리(에틸렌 글리콜)디메타크릴레이트(PEGDMA), 폴리(에틸렌 글리콜)모노메틸에테르(PEGME), 폴리(에틸렌 글리콜) 디메틸에테르(PEGDME), 폴리[에틸렌 옥사이드-코-2-(2-메톡시에톡시)에틸 글리시딜 에테르](PEO/MEEGE), 과분지형 중합체, 또는 폴리니트릴로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  6. 제1항에 있어서, 상기 첨가제는 플라스틱 결정 전해질(PCEs) 또는 이온성 액체인 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수동형 세라믹 입자들은 제1 입자와, 제1 입자에 인접한 제2 입자를 포함하고, 상기 이온-전도성 물질은 제1 쉘 층을 형성하기 위하여 제1 입자의 외부 표면에 위치되는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이온-전도성 물질은, 제2 쉘 층이 형성되는 제2 입자의 외부 표면에 추가로 위치되어 상기 제2 쉘 층에 접촉하는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  9. 제8항에 있어서, 제1 쉘 층과 제2 쉘 층의 외부 표면들은 제1 도펀트를 포함하고, 상기 제1 도펀트의 크기는 수동형 세라믹 입자들의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  10. 제9항에 있어서, 제1 도펀트는 수동형 세라믹 물질, 무기 고체 전해질 또는 이들의 조합에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  11. 제8항에 있어서, 상기 이온-전도성 물질은 상기 제1 쉘 층과 제2 쉘 층 사이에 브리지 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 입자와 상기 제2 입자에 접촉하지 않는 브리지 부분의 표면은 제1 도펀트를 포함하고, 상기 제1 도펀트의 크기는 상기 수동형 세라믹 입자들의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 도펀트는 추가로 상기 제1 입자와 제2 입자의 외부 표면들로 연장되는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 도펀트는 수동형 세라믹 물질, 무기 고체 전해질 또는 이들의 조합에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  15. 제1항에 있어서, 상기 수동형 세라믹 물질은 제1 입자와 제2 입자를 포함하고, 상기 이온-전도성 물질은 제1 입자와 제2 입자 사이에 위치하여 브리지 부분을 형성하고 상기 제1 입자와 제2 입자에 고착하는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 입자와 상기 제2 입자에 접촉하지 않는 상기 브리지 부분의 표면은 제1 도펀트를 포함하고, 상기 제1 도펀트의 크기는 수동형 세라믹 입자들의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 도펀트는 상기 제1 입자와 상기 제2 입자의 외부 표면으로 추가로 연장하는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 도펀트는 수동형 세라믹 물질, 무기 고체 전해질 또는 이들의 조합에서 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 분리막.
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