KR20210052336A - 개선된 전극접착력 및 저항 특성을 갖는 리튬이차전지용 분리막 및 상기 리튬이차전지용 분리막을 포함하는 리튬이차전지 - Google Patents

개선된 전극접착력 및 저항 특성을 갖는 리튬이차전지용 분리막 및 상기 리튬이차전지용 분리막을 포함하는 리튬이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접착력과 통기도가 모두 우수한 리튬이차전지용 분리막을 제공하기 위한 발명으로, 상기 리튬이차전지용 분리막은 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 코팅되어 있으며 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비하고 있고, 상기 바인더는 상기 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착시키고, 또한, 상기 무기물 입자와 상기 다공성 고분자 기재가 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 부착시키며, 상기 무기물 입자들은 실질적으로 서로 접촉한 상태에서 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)을 형성할 수 있고, 상기 무기물 입자 사이의 인터스티셜 볼륨은 빈 공간이 되어 다공성 코팅층의 기공을 형성하며, 상기 바인더가 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 이 바인더 시편은 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정시, 15℃ 내지 27.6 ℃에서 tan δ 피크를 갖는 제1 바인더와 8℃ 내지 20.2 ℃에서 tan δ 피크를 갖는 제2 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막이 제공된다.

Description

개선된 전극접착력 및 저항 특성을 갖는 리튬이차전지용 분리막 및 상기 리튬이차전지용 분리막을 포함하는 리튬이차전지 {Separator for Lithium secondary battery with improved adhesiveness toward an electrode and resistance properties and Lithium secondary battery comprising the separator}
본 발명은 개선된 전극접착력 및 저항 특성을 갖는 리튬이차전지용 분리막 및 상기 리튬이차전지용 분리막을 포함하는 리튬이차전지에 관한 것이다.
리튬이차전지는 양극/음극/분리막/전해액을 기본으로 하여 구성되어 화학에너지와 전기에너지가 가역적으로 변환되면서 충방전이 가능한 에너지 밀도가 높은 에너지 저장체로, 휴대폰, 노트북 등의 소형 전자 장비에 폭넓게 사용된다. 최근에는 환경문제, 고유가, 에너지 효율 및 저장을 위한 대응으로 복합 전기 자동차(hybrid electric vehicles, HEV), 플러그 전기 자동차(Plug-in EV), 전기 자전거(e-bike) 및 에너지 저장 시스템(Energy storage system, ESS)으로의 응용이 급속히 확대되고 있다.
이러한 리튬이차전지의 제조 및 사용에 있어서 리튬이차전지의 안전성 확보는 중요한 해결과제이다. 특히 리튬이차전지에서 통상적으로 사용되는 분리막(separator)은 그의 재료적 특성 및 제조 공정상의 특성으로 인하여 고온 등의 상황에서 극심한 열 수축 거동을 보임으로써 내부 단락 등의 안전성 문제를 갖고 있다. 최근 리튬이차전지의 안전성을 확보하기 위해 무기물 입자와 바인더의 혼합물을 다공성 고분자 기재에 코팅하여 다공성 코팅층을 형성한 유기-무기 복합 다공성 분리막이 제안되었다. 그러나, 전극과 분리막을 적층하여 전극 조립체를 형성한 경우 층간 접착력이 충분하지 않아 전극과 분리막이 서로 분리될 위험이 크고 이 경우 분리 과정에서 상기 다공성 코팅층으로부터 탈리되는 무기물 입자가 리튬이차전지 소자 내에서 국부적 결함으로 작용할 수 있는 문제점이 존재한다.
이러한 문제점을 해소하기 위해 다공성 코팅층에 접착력을 부여하기 위해 PVDF계 폴리머, 예컨대, 폴리(비닐리덴플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌)(P(VDF-HFP)), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-클로로트리플루오로에틸렌)(PVDF-CTFE)를 상분리 조건을 통해 분리막 표면쪽으로 바인더 마이그레이션을 유도하여 접착층을 형성하는 방법이 사용되고 있다.
상기 PVDF계 폴리머가 분리막 접착층으로 사용되는 경우, 상기 접착층을 구성하는 PVDF계 폴리머는 접착력과 저항 특성 측면에서 트레이드-오프(trade-off) 관계를 갖는 것으로 알려져 있다. 즉, 우수한 접착력을 갖는 PVDF계 폴리머는 저항 측면에서 불리한 것으로 확인되는 반면, 저항 측면에서 유리한 PVDF계 폴리머는 접착력 측면에서 불리한 것으로 확인되었다.
본 발명은 무기물 입자를 포함하는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막에 있어서, 분리막의 전극접착력 및 저항 특성이 당업계에서 요구되는 수준을 만족시킬 수 있을 정도로 동시에 향상된 리튬이차전지용 분리막을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 다공성 코팅층에 사용되는 바인더의 점성 및 탄성 유변물성을 조정함으로써 전극접착력 및 저항 특성 모두를 만족시키는 리튬이차전지용 분리막을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이다. 한편, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에서 기재되는 수단 또는 방법, 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 양태는 리튬이차전지용 분리막에 대한 것으로서, 상기 분리막은 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되어 있으며 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비하고,
상기 바인더는 상기 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착시키고, 또한, 상기 무기물 입자와 상기 다공성 고분자 기재가 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 부착시키며,
상기 무기물 입자들은 실질적으로 서로 접촉한 상태에서 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)을 형성할 수 있고, 상기 무기물 입자 사이의 인터스티셜 볼륨은 빈 공간이 되어 다공성 코팅층의 기공을 형성하며,
상기 바인더가 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 이 바인더 시편은 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정시, 15℃ 내지 27.6 ℃에서 tan δ 피크를 갖는 제1 바인더와 8℃ 내지 20.2 ℃에서 tan δ 피크를 갖는 제2 바인더를 포함하는 것이다.
본 발명의 제2 양태는, 상기 제1 양태에서, 상기 다공성 코팅층의 바인더가 상기 제1 바인더와 제2 바인더로 이루어진 것이다.
본 발명의 제3 양태는, 상기 제1 또는 제2 양태에서, 상기 바인더는 제3 바인더를 더 포함하며, 상기 제3 바인더는 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 상기 바인더 시편을 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정시, -12℃ 내지 0 ℃에서 tan δ 피크를 갖는 것이다.
본 발명의 제4 양태는, 상기 제3 양태에 있어서, 상기 제3 바인더는 제1, 제2 및 제3 바인더의 총 함량 100wt% 대비 8wt% 내지 25wt%의 비율로 포함되는 것이다.
본 발명의 제5 양태는 상기 제3 또는 제4 양태에 있어서, 상기 제3 바인더는 PVDF-CTFE를 포함하는 것이다.
본 발명의 제6 양태는 상기 제1 내지 제5 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 바인더와 상기 제2 바인더를 합한 100 wt% 기준으로 상기 제1 바인더가 5 내지 50 wt%의 양으로 포함되고, 상기 제2 바인더가 50wt% 내지 95wt%의 양으로 포함되는 것이다.
본 발명의 제7 양태는 상기 제1 내지 제6 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 바인더는 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 190 ℃에서 ARES(Advanced Rheometric Expansion System) 측정에 의해 위상각 (phase angle) 45도 미만에서 거동을 나타내는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제8 양태는 상기 제1 양태 내지 제7 양태 중 어느 하나의 양태에서, 상기 제2 바인더는 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 190 ℃에서 ARES 측정에 의해 위상각 45도 이상에서 거동을 나타내는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제9 양태는, 상기 제1 양태 내지 제8 양태 중 어느 하나의 양태에서, 제1 바인더와 제2 바인더를 합한 100 wt% 기준으로 상기 제1 바인더가 5 내지 15 wt%의 양으로 포함되고, 상기 제2 바인더가 85wt% 내지 95wt의 양으로 포함되는 것이다.
본 발명의 제10 양태는 제1 내지 제9 양태 중 어느 하나의 양태에서, 상기 제1 바인더가 상기 tan d 피크 조건을 만족하는 것으로서 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌)(PVdF-TFE), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌)(PVdF-TrFE), PVDF-HFP-AA(PVDF-HFP acrylic acid graft copolymer)또는 이들의 혼합물인 것이다.
본 발명의 제11 양태는 제1 내지 제10 양태 중 어느 하나의 양태에서, 상기 제2 바인더가 상기 tan d 피크 조건을 만족하는 것으로서 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌)(PVdF-HFP)인 것이다.
본 발명의 제12 양태는, 상기 제1 양태 내지 제11 양태 중 어느 하나의 양태에서, 상기 다공성 코팅층이 분산제를 더 포함하는 것이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 제13 양태에서, 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 분리막이 제1 양태 내지 제12 양태 중 어느 하나의 양태에 따른 리튬이차전지용 분리막인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지가 제공된다.
본 발명에 따른 리튬이차전지용 분리막은 다공성 코팅층에 사용된 바인더로서, 바람직한 점성 및 탄성 유변물성을 나타내도록 하는 2종의 바인더를 사용함으로써 전극접착력 및 저항 특성 모두를 만족시킨다.
또한, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 분리막에서는 분리막 표면에 미세하고 균일한 기공이 형성되어 전극에 대한 접착표면적이 증가하고, 그 결과 전극접착력이 개선되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 리튬이차전지용 분리막을 포함하는 리튬이차전지는 우수한 수명, 안전성 및 고출력 성능을 나타낸다.
첨부된 도면은 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것으로, 발명의 범위가 이에 국한되는 것은 아니다. 한편, 본 명세서에 수록된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 축척 또는 비율 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 사용된 제1 바인더와 제2 바인더 각각에 대하여 측정된, DMA (Dynamic Mechanical Analysis)에 의해 온도와 tan δ 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 사용된 제1 바인더와 제2 바인더 각각에 대하여 측정된, 190 ℃에서 복합 모듈러스(complex modulus)와 위상각 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 사용된 제1 바인더와 제2 바인더 각각에 대하여 측정된, 190 ℃에서 각 주파수(angular frequency)와 복소 점도(complex viscosity) 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 사용된 제1 바인더와 제2 바인더 각각에 대하여 측정된, 온도와 저장 모듈러스 및 온도와 손실 모듈러스의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5와 도 6 각각은 실시예 1과 비교예 1 각각에서 제조된 리튬이차전지용 분리막의 단면의 SEM (Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 7은 본원 발명의 실시예 3 내지 실시예 6에서 사용된 제3 바인더에 대하여 측정된, DMA (Dynamic Mechanical Analysis)에 의해 온도와 tan δ 관계를 나타낸 그래프이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 코팅되어 있으며 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비하고 있고, 상기 바인더는 상기 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착시키고, 또한, 상기 무기물 입자와 상기 다공성 고분자 기재가 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 부착시키며, 상기 무기물 입자들은 실질적으로 서로 접촉한 상태에서 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)을 형성할 수 있고, 상기 무기물 입자 사이의 인터스티셜 볼륨은 빈 공간이 되어 다공성 코팅층의 기공을 형성하며, 상기 바인더가 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 이 바인더 시편은 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정시, 15℃ 내지 27.6℃ 에서 tan δ 피크를 갖는 제1 바인더와 8℃ 내지 20.2℃ 에서 tan δ 피크를 갖는 제2 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 분리막이 본 발명에 따른 리튬이차전지용 분리막인 리튬이차전지가 제공된다.
이하 본 발명을 구성 요소별로 상세하게 설명한다.
1. 다공성 고분자 기재
본 발명의 구체적인 일 실시양태에서, 상기 다공성 고분자 기재는 음극 및 양극을 전기적으로 절연시켜 단락을 방지하면서 리튬 이온의 이동 경로를 제공할 수 있는 것으로서 통상적으로 리튬이차전지용 분리막 소재로 사용 가능한 것이라면 특별한 제한없이 사용이 가능하다. 이러한 다공성 고분자 기재로는, 예를 들어, 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴레페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌과 같은 고분자 수지 중 적어도 어느 하나로 형성된 다공성 고분자 기재 등이 있으나 특별히 여기에 한정되는 것이 아니다.
또한, 상기 다공성 고분자 기재로는 고분자 수지를 용융하여 성막한 시트 형태의 필름을 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 고분자 수지를 용융하여 성막한 시트 형태의 필름인 다공성 고분자 기재이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에서, 상기 다공성 고분자 기재는 하기 중 어느 하나인 것이다.
a) 고분자 수지를 용융/압출하여 성막한 다공성 필름,
b) 상기 a)의 다공성 필름이 2층 이상 적층된 다층막,
c) 상기 a)와 b)를 모두 포함하는 다층 구조의 다공성 복합막.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에서, 상기 다공성 고분자 기재의 두께는 5 내지 50 ㎛ 범위내에서 적절하게 선택될 수 있다. 다공성 고분자 기재의 두께가 특별히 전술한 범위로 한정되는 것은 아니지만, 두께가 전술한 하한보다 지나치게 얇은 경우에는 기계적 물성이 저하되어 전지 사용 중 분리막이 쉽게 손상될 수 있다. 한편, 다공성 고분자 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95%일 수 있다.
2. 다공성 코팅층
본 발명에 따른 다공성 코팅층은 상기 다공성 고분자 기재의 일면 또는 양면에 층상으로 형성되어 있는 것이다. 상기 다공성 코팅층은 복수의 무기물 입자와 바인더의 혼합물을 포함하며, 상기 무기물 입자들이 바인더를 매개로 하여 집적되어 층상으로 형성된 것이다. 상기 다공성 코팅층의 바인더는 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착(즉, 바인더가 무기물 입자 사이를 연결 및 고정)시킬 수 있으며, 또한 상기 바인더에 의해 무기물 입자와 다공성 고분자 기재가 결착된 상태를 유지할 수 있다. 상기 다공성 코팅층의 무기물 입자들은 실질적으로 서로 접촉한 상태에서 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)을 형성할 수 있고, 이 때 인터스티셜 볼륨은 무기물 입자들에 의한 충진 구조(closed packed or densely packed)에서 실질적으로 접촉하는 무기물 입자들에 의해 한정되는 공간을 의미한다. 상기 무기물 입자 사이의 인터스티셜 볼륨은 빈 공간이 되어 다공성 코팅층의 기공을 형성할 수 있다.
다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 전술한 바와 같이 무기물 입자를 포함하는 다공성 코팅층이 형성되어 있으므로 리튬이차전지용 분리막의 내열성 및 기계적 물성이 더욱 향상된다. 즉, 상기 무기물 입자는 일반적으로 200 ℃ 이상의 고온이 되어도 물리적 특성이 변하지 않는 특성을 갖기 때문에, 다공성 코팅층으로 인해 리튬이차전지용 분리막이 우수한 내열성을 갖게 된다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 다공성 코팅층은 1 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는 2 ㎛ 내지 30 ㎛인 또는 2 ㎛ 내지 20 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 다공성 코팅층이 전술한 범위의 두께를 갖는 경우에 분리막의 박막화, 저 저항 및 고 내열성의 효과를 가질 수 있다.
상기 다공성 코팅층을 구성하는 무기물 입자와 바인더의 조성비는 최종 제조되는 본 발명의 다공성 코팅층의 두께, 기공 크기 및 기공도를 고려하여 결정될 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 무기물 입자와 바인더의 조성비는 중량 기준으로 무기물 입자가 50 내지 99.9 wt% 또는 60 내지 99.5 wt%, 바인더가 0.1 내지 50 wt% 또는 0.5 내지 40 wt% 인 것이다. 상기 무기물 입자의 함량이 50 wt% 미만일 경우 바인더의 함량이 지나치게 많게 되어 무기물 입자들 사이에 형성되는 빈 공간의 감소로 인한 기공 크기 및 기공도가 감소되어 최종 전지 성능 저하가 야기될 수 있다. 반면, 상기 무기물 입자의 함량이 99.9 wt%를 초과할 경우 바인더의 함량이 너무 적기 때문에 무기물 입자 사이의 접착력 약화로 인해 최종 다공성 코팅층의 기계적 물성이 저하된다.
본 발명의 리튬이차전지용 분리막의 다공성 코팅층에 사용된 바인더를 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작하고 상기 바인더 시편을 190 ℃에서 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정시, 15℃ 내지 27.6 ℃에서 tan δ 피크를 갖는 제1 바인더와 8℃ 내지 20.2 ℃에서 tan δ 피크를 갖는 제2 바인더를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 상기 DMA는 TA Instruments사의 DMA Q800을 사용하여 측정된다. 또한, 본원 명세서에서 '피크'라 함은 tan δ와 온도의 관계를 나타낸 그래프 커브(curve)에서 최정점, 즉, 가장 높은 높이(height)를 갖는 지점을 의미하는 것으로 이해한다. 대안적으로는 그래프에 대한 접선의 기울기가 양(+)에서 음(-)로 변하는 변곡점을 의미하는 것으로 이해할 수 있다.
본 발명에 따른 제1 바인더는 대체적으로 온도에 따른 점도변화가 크고, 탄성이 우세하며, 용액에 대한 용해도가 낮고, 고체와 같은 단단한 물성을 나타내는 경향이 있다.
본 발명에 따른 제1 바인더로는 상기 tan δ의 값을 만족하는 범위 내에서 PVdF-TFE, PVdF-TrFE, PVDF-HFP-AA((PVDF-HFP acrylic acid graft copolymer) 또는 이 중 선택된 2종의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 제2 바인더로는 상기 tan δ의 값을 만족하는 범위 내에서 PVdF-HFP를 사용할 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 다공성 코팅층은 바인더로서 제1 바인더와 제2 바인더를 포함한다. 또는, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 본 발명의 다공성 코팅층에 사용되는 바인더는 실질적으로 제1 바인더와 제2 바인더로 이루어진 것을 특징으로 한다. 또는, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 본 발명의 다공성 코팅층에 사용되는 바인더는 제1 바인더와 제2 바인더로만 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 상기 바인더는 제1 바인더와 제2 바인더를 합한 100 wt% 기준으로 제1 바인더가 5wt% 내지 50 wt%의 양으로 포함되고, 제2 바인더가 50 wt% 내지 95 wt%의 양으로 포함될 수 있다. 제1 바인더의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 코팅층에 미세공극(microvoid)이 다량 존재하여 저항은 감소되지만, 다공성 코팅층의 치밀도가 저하되어 전지 제조를 위해 전극과 라미네이션 할 때 다공성 코팅층의 두께가 크게 감소되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 물리적 강도가 저하되는 결과 관통강도 특성이나 과충전 안전성이 저하될 수 있다. 한편, 제1 바인더 함량이 상기 상한치보다 많은 경우에는 접착력이 저하되는 문제점이 발생한다. 또는, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에서 상기 바인더는 제1 바인더와 제2 바인더를 합한 100 wt%를 기준으로 제1 바인더가 5 wt% 내지 15 wt%의 양으로 포함되고, 제2 바인더가 85 wt% 내지 95 wt%의 양으로 포함될 수 있다. 또는, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에서 상기 바인더는 제1 바인더와 제2 바인더를 합한 100 wt%를 기준으로 제1 바인더가 14 wt% 내지 50 wt%의 양으로 포함되고, 제2 바인더가 50 wt% 내지 86 wt%의 양으로 포함될 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 상기 제1 바인더는 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 이 바인더 시편은 190 ℃에서 ARES(Advanced Rheometric Expansion System) 측정에 의해 위상각 (phase angle) 45도 미만에서 거동을 나타낼 수 있고, 상기 제2 바인더는 복합 모듈러스 값 105 Pa 이하에서 위상각 45도 이상에서 거동을 나타낼 수 있다. 상기 제2 바인더가 복합 모듈러스 값 105 Pa 이하에서 위상각 45도 이상에서 거동을 나타내는 경우, 상기 제2 바인더는 전극과 분리막의 라미네이션을 위한 조건, 즉, 핫 프레스(hot press) 조건에서 유연해진(softening) 물성을 나타낼 수 있다.
본원 명세서에서 위상각(δ) 측정을 위해 TA Instruments 제조업체의 ARES-G2 모델명을 갖는 ARES 장치를 사용한다.
본원 명세서에서 위상각(δ)은 하기 절차로 측정한다:
(S1) 바인더 수지의 시편을 ARES 장치의 평행반(parallel plate)에 로딩한 후 25 mm 평행반에 갭 1 mm로 맞춘다.
(S2) 190 ℃의 온도, 1% 스트레인 및 0.05 내지 500 rad/s의 shear rate 조건 하에 상기 ARES 장치로부터 점성 모듈러스와 손실 모듈러스의 비를 측정한다. 측정된 값은 위상각의 arctan 값에 해당한다.
(S3) 상기 arctan 값으로부터 tanδ(at shear rate=100rad/s) 값이 환산되어, 위상각이 계산된다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 상기 제1 바인더는 약 105 Pa 미만 범위의 복소 모듈러스 범위에서는 위상각이 측정되지 않으며, 약 105 내지 약 106 Pa 범위의 복소 모듈러스 범위에서 위상각 45도 미만을 갖는 유변학적 거동(rheological behavior)을 나타낼 수 있다. 상기 제1 바인더가 45도 미만에서만 복소 모듈러스 값을 가짐은 상기 제1 바인더의 tanδ 값이 1 미만, 즉, arctan 값이 1 초과임을 의미하고, 점성 모듈러스와 손실 모듈러스의 비 (점성 모듈러스/손실 모듈러스)가 1 초과임을 의미한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 상기 제2 바인더는 약 105 Pa 이하, 보다 구체적으로는 약 103 내지 약 105 Pa 범위의 복소 모듈러스 값에서 위상각 45도 이상을 가질 수 있다. 상기 제2 바인더가 약 105 이하의 복소 모듈러스에서 위상각 45도 이상을 가짐은 상기 제2 바인더의 tanδ 값이 1 이상, 즉, arctan 값이 1 미만임을 의미하고, 점성 모듈러스와 손실 모듈러스의 비(점성 모듈러스/손실 모듈러스)가 1 미만임을 의미한다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 각 주파수 변동에 따른 바인더의 복소 점도의 변화를 측정시, 제1 바인더는 제2 바인더에 비해 큰 복소 점도를 나타내며, 이로부터 제1 바인더의 중량평균분자량이 제2 바인더에 비해 중량평균분자량이 더 큰 것으로 추론할 수 있다. 또한, 제1 바인더는 상대적으로 큰 복소 점도 변화를 나타내는 반면, 제2 바인더는 상대적으로 작은 복소 점도 변화를 나타낼 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 제1 바인더 및 제2 바인더 각각은 저장 모듈러스와 손실 모듈러스로 나타낼 수 있다. 일반적으로 저장 모듈러스가 고분자의 탄성이 우세한 성질을 나타내고, 손실 모듈러스가 고분자의 점성이 우세한 성질을 나타낸다. 저장 모듈러스 및 손실 모듈러스의 측정값으로부터, 제1 바인더 및 제2 바인더 각각을 구성하는 주 사슬(main chain)의 강성도(rigidity) 또는 이동도(mobility) 정도에 따른 경도(hardness) 차이 또는 점성 차이를 추론할 수 있으며, 리튬이차전지의 사용 온도 범위, 예컨대 0 ℃ 이상의 온도에서, 제1 바인더가 제2 바인더보다 높은 저장 모듈러스를 나타내고 제2 바인더가 제1 바인더보다 높은 손실 모듈러스를 나타낼 수 있다. 즉, 리튬이차전지의 사용 온도 범위, 예컨대 0 ℃ 이상의 온도에서, 제1 바인더가 제2 바인더보다 우세한 탄성 특성을 나타내고, 제2 바인더가 제1 바인더보다 우세한 점성 특성을 나타낼 수 있음을 추론할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 바인더는 제3 바인더를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 바인더는 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 상기 바인더 시편을 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정시, -20℃ 내지 50℃의 온도 범위 중 -12℃ 내지 0℃, 바람직하게는 -11℃ 내지 -4℃에서 tan δ 피크를 갖는 것이다.
본 발명에 있어서, 제3 바인더의 비제한적인 예로 PVDF-CTFE(Poly(vinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene))를 들 수 있다. 아래 도 7은 본원 발명에서 제3 바인더로 사용된 PVDF-CTFE (solef 32008)로 약 -7.56℃에서 tan δ를 갖는 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기 제3 바인더는 제1, 제2 및 제3 바인더의 총 함량 100wt% 대비 8wt% 내지 25wt%의 비율로 포함될 수 있다.
다공성 코팅층이 포함된 분리막의 제조 후 상기 분리막이 전지에 적용되는 경우 상기 다공성 코팅층에 포함된 바인더가 전해액에 의해 용출되는 등 바인더의 소실이 발생될 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 바인더는 상기 제3 바인더를 소정량 포함할 수 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 분리막은 다공성 코팅층 중 바인더의 용출이 감소되는 효과가 발휘될 수 있다. 특히 전해액에 의한 바인더의 용출은 전지 내부 온도가 상승하는 경우 더욱 악화된다. 통상적으로 전지 제조 이후 분리막의 전해액 함침을 촉진하는 등의 이유로 60℃ 이상의 온도 조건에서 에이징(aging)이 수행되는데 상기 에이징이 수행되는 동안 다공성 코팅층 내 바인더 수지가 전해액에 의해 용출되어 그 결과 다공성 코팅층의 결착력이 저하되어 다공성 코팅층이 다공성 기재로부터 박리되거나 다공성 코팅층 내 무기물 입자가 탈리되는 문제가 발생될 수 있다. 이에 본 발명은 추가적으로 제3 바인더를 도입함으로써 상기 바인더의 전해액에 의한 용출 문제를 낮추었다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 다공성 코팅층의 무기물 입자 크기는 제한이 없으나, 균일한 두께의 코팅층 형성 및 적절한 공극률을 위하여, 0.001 내지 10 ㎛ 범위 또는 0.01 내지 10 ㎛ 범위 또는 0.05 내지 5 ㎛ 범위 또는 0.1 내지 2 ㎛ 범위의 D50 입경을 가질 수 있다. 상기 무기물 입자 크기가 이러한 범위의 직경을 만족하는 경우, 분산성이 유지되어 리튬이차전지용 분리막의 물성을 조절하기가 용이해지고, 다공성 코팅층의 두께가 증가하는 현상을 피할 수 있어 기계적 물성이 개선될 수 있으며, 또한 지나치게 큰 기공 크기로 인해 전지 충·방전시 내부 단락이 일어날 확률이 적다.
본원 명세서에서 "D50 입경"은, 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 50% 지점에서의 입경을 의미한다. 즉, D50은 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 50% 지점에서의 입경을 의미하며, 상기 입경은 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 측정 대상 분말을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어 Microtrac S3500)에 도입하여 입자들이 레이저빔을 통과할 때 입자 크기에 따른 회절패턴 차이를 측정하여 입도 분포를 산출한다. 측정 장치에 있어서의 입경에 따른 입자 개수 누적 분포의 50%가 되는 지점에서의 입자 직경을 산출함으로써, D50을 측정할 수 있다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 상기 무기물 입자는 적용되는 전기화학소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우 전기화학소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있다. 또한, 무기물 입자로서 유전율이 높은 무기물 입자를 사용하는 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 5 이상, 또는 10 이상인 고유전율 무기물 입자, 리튬이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합체를 포함할 수 있다. 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT, 여기서, 0 < x < 1, 0 < y < 1임), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, γ-AlOOH, SiC, TiO2 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 전술한 고유전율 무기물 입자와 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자들을 혼용할 경우 이들의 상승 효과는 배가될 수 있다.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), Li3.25Ge0.25P0.75S4 등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x <4, 0 < y < 2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 glass(LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4), LiILi2S-P2S5등과 같은 P2S5 계열 glass(LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 또는 이들의 혼합물 등이 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에서, 상기 다공성 코팅층에 분산제가 사용되지 않을 수 있다.
본 발명의 구체적인 또 다른 실시양태에서, 다공성 코팅층에 분산제가 더 포함될 수 있다. 상기 분산제는 다공성 코팅층을 구성하는 고형분 함량 100 중량부 기준으로 1 중량부 내지 3 중량부의 함량으로 포함되어 무기물 입자의 분산성을 개선시키는 기능을 발휘한다. 분산제의 비제한적인 예로 아크릴계 공중합체, 시아노에틸 폴리비닐알코올, 바이칼린, 루테올린, 탁시폴린, 미리세틴, 케르세틴, 루틴, 카테킨, 에피갈로카테킨 갈레이트, 뷰테인(butein), 피세아테놀, 탄닌산을 포함하는 페놀계 화합물, 파이로갈릭산, 아밀로즈, 아밀로펙틴, 잔탄검 및 지방산계 화합물로 이루어진 고분자 화합물 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.
아크릴계 공중합체는 OH기, COOH기, CN기, 아민기 및 아미드기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 작용기를 포함하는 공중합체일 수 있다.
이러한 아크릴계 공중합체의 예로는 에틸 아크릴레이트-아크릴산-N,N-디메틸아크릴아마이드 공중합체, 에틸 아크릴레이트-아크릴산-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트 공중합체, 에틸 아크릴레이트-아크릴산-N,N-디에틸아크릴아마이드 공중합체 및 에틸 아크릴레이트-아크릴산-2-(디에틸아미노)에틸 아크릴레이트 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 포함되지만 이에 국한되지 않는다.
다공성 코팅층의 기공 크기 및 기공도는 주로 무기물 입자의 크기에 의존하는데, 예컨대 입경이 1㎛ 이하인 무기물 입자를 사용하는 경우, 형성되는 기공 역시 1㎛ 이하가 된다. 이와 같은 기공 구조는 추후 주액되는 전해액으로 채워지게 되고, 이와 같이 채워진 전해액은 이온 전달 역할을 하게 된다. 따라서 상기 기공의 크기 및 기공도는 다공성 코팅층의 이온 전도도 조절에 중요한 영향 인자이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 다공성 코팅층의 기공 크기는 0.001 내지 10㎛ 또는 0.001 내지 1 ㎛ 범위이다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면, 다공성 코팅층의 기공도(porosity)는 5 내지 95% 범위 또는 10 내지 95 % 범위 또는 20 내지 90 % 범위 또는 30 내지 80 % 범위이다. 상기 기공도는 상기 다공성 코팅층의 두께, 가로, 및 세로로 계산한 부피에서, 상기 코팅층의 각 구성성분의 무게와 밀도로 환산한 부피를 차감(subtraction)한 값에 해당한다.
상기 다공성 코팅층에 상기 범위의 기공 크기 및/또는 기공도가 형성되는 경우에, 본 발명의 일 실시양태에 따른 리튬이차전지용 분리막이 비정상적인 상황에서의 단락을 방지할 수 있으면서 적절한 저항 특성 및 통기도를 동시에 구비할 수 있다.
3. 다공성 코팅층의 제조 방법
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 다공성 코팅층은 용매에 전술한 무기물 입자와 바인더를 혼합하여 다공성 코팅층 형성용 조성물을 준비하고 이를 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 도포하고 건조시킴으로써 형성된다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 용매는 유기 용제인 것으로서, 상기 무기물 입자 및 바인더를 균일하게 분산할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
상기 유기 용제는 시클로펜탄, 시클로헥산 등의 고리형 지방족 탄화수소류；톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠 등의 방향족 탄화수소류；아세톤, 에틸메틸케톤, 디이소프로필케톤, 시클로헥사논, 메틸시클로헥산, 에틸시클로헥산 등의 케톤류；메틸렌클로라이드, 클로로포름, 사염화탄소 등 염소계 지방족 탄화수소；아세트산에틸, 아세트산 부틸, γ-부티로락톤, ε-카프로락톤 등의 에스테르류；아세토니트릴, 프로피오니트릴 등의 아실로니트릴류；테트라하이드로푸란, 에틸렌글리콜디에틸에테르 등의 에테르류：메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜모노메틸에테르 등의 알코올류；N-메틸피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드 등의 아미드류를 들 수 있으며 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 따르면 상기 용매는 건조 공정상 이점을 고려하여 아세톤을 포함할 수 있다.
이들 용매는 단독으로 사용해도 되고, 이들을 2종 이상 혼합한 혼합 용매를 사용해도 된다. 이들 중에서도 특히, 비점이 낮고 휘발성이 높은 용매가 단시간에 또한 저온에서 제거할 수 있으므로 바람직하다. 구체적으로는, 아세톤, 톨루엔, 시클로헥사논, 시클로펜탄, 테트라하이드로푸란, 시클로헥산, 자일렌, 혹은 N-메틸피롤리돈, 또는 이들의 혼합 용매인 것이 바람직하다.
상기 다공성 코팅층 형성용 조성물 중 무기물 입자 및 바인더의 함유 비율은 다공성 코팅층에 대해 상기 서술한 바와 같은 비율로 하는 것이 바람직하다.
상기 다공성 코팅층 형성용 조성물을 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 도포하여 다공성 코팅층을 형성하는 방법은 제한이 없으며, 딥(Dip) 코팅법, 다이(Die) 코팅법, 롤(roll) 코팅법, 콤마(comma) 코팅법, 닥터 블레이드 코팅법, 리버스롤 코팅법, 다이렉트롤 코팅법 등의 방법을 들 수 있다.
다공성 코팅층을 형성하기 위한 도포 과정은 일정 범위의 습도에서 실시하는 것이 바람직하다. 다공성 코팅층 형성용 조성물을 다공성 고분자 기재의 일면 또는 양면에 도포한 후에, 건조 과정을 거치면서 코팅층(조성물)에 용해되어 있는 바인더는 당업계에 공지되어 있는 상분리(vapor-induced phase separation) 현상에 의해 상전이 특성을 갖게 된다. 상기 상분리는 가습 상분리 또는 침지 상분리에 의해 이루어질 수 있다.
가습 상분리에 대해 설명하면 하기와 같다.
먼저, 상분리를 위해 비용매가 기체 상태로 도입될 수 있다. 상기 비용매는, 바인더를 용해시키지 않고, 용매와 부분 상용성이 있는 것이면 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들어, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
기체 상태의 비용매를 도입하여 첨가하는 경우, 적은 양의 비용매를 이용하여 상분리시키는 것이 가능하고, 무기물 조성물의 건조가 보다 용이한 장점이 있다.
이 때, 기체 상태의 비용매를 첨가하는 온도는 15 ℃ 내지 70 ℃ 범위일 수 있고, 15 ℃ 미만인 경우에는 비용매가 기체 상태를 유지하기 어렵고 무기물 조성물의 건조 속도가 느려서 생산성이 낮으며, 70 ℃ 초과인 경우에는 용매 및 비용매의 건조 속도가 너무 빨라서 상분리가 충분히 일어나기 어렵다.
또한, 상분리 과정에서, 비용매의 증기압이 포화 증기압 대비 15% 내지 80% 또는 30% 내지 50%가 되도록 비용매를 첨가하고, 상분리시키는 과정이 순차적으로 진행될 수 있다. 상기 비용매의 증기압이 포화 수증기 대비 15% 미만인 경우에는 비용매의 양이 너무 적어서 상분리가 충분히 일어나기 어렵고, 80% 초과인 경우에는 상분리가 너무 많이 일어나서 균일한 코팅을 얻기 어렵다.
기체 상태로 비용매를 첨가하여 상분리가 일어나기 위해서는 용매의 비점이 낮아서 증발이 쉽게 일어나는 것이 유리하다. 즉, 용매가 증발하면서 온도를 낮추면 기체 상의 비용매가 응축(condensation)되면서 용매와 교환이 용이할 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 기체 상태의 비용매를 첨가하는 경우, 상기 용매는 비점이 30 ℃ 내지 80 ℃ 범위일 수 있다. 또한, 상기 기체 상태의 비용매가 첨가되는 무기물 조성물의 용매는 예를 들어, 아세톤 및 메틸에틸케톤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 상분리 중 침지 상분리에 대해 설명하면 다음과 같다.
다공성 코팅층 형성용 조성물을 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 코팅한 후, 적절한 비용매를 포함하는 응고액에 소정 시간 침지한다. 이에 따라, 코팅된 다공성 코팅층 형성용 조성물에서 상분리 현상이 유발되면서 바인더 수지를 고화시킨다. 이 공정에서 바인더 수지 및 무기물 입자를 포함하는 코팅층이 다공화된다. 그 후, 수세(水洗)함으로써 응고액을 제거하고, 건조함으로써 다공성 코팅층을 다공성 고분자 기재 위에 일체적으로 형성할 수 있다.
바인더의 용해에 사용되는 용매는 25 ℃ 조건에서 바인더 수지를 5 wt% 이상, 바람직하게는 15 wt% 이상, 더욱 바람직하게는 25 wt% 이상 용해시킬 수 있는 것을 사용할 수 있다. 이러한 용매의 비제한적인 예로는 N-메틸피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드 등의 극성 아미드 용매, 프로파논(propanone), 사이클로펜타논(cyclopentanone), 메틸아세테이트(methylacetate), 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone), 트리메틸포스페이트(trimethylphospate), 트리에틸포스페이트(triethylphospate), 디메틸에톡시메탄(dimethylethoxymethane)를 사용할 수 있다. 사용되는 용매의 바인더 수지 용해도가 전술한 범위에 미치지 못하는 경우에는 상분리가 과도하게 진행되는 문제가 있다.
상기 비용매는 25 ℃ 조건에서 바인더 수지의 용해도가 5 wt% 미만인 것이 사용될 수 있다. 이러한 비용매로는 물, 메탄올, 에탄올, 프로필알코올, 부틸알코올, 부탄디올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 혹은 트리프로필렌글리콜 중 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 응고액으로는 비용매만을 사용하거나 또는 비용매와 전술한 바와 같은 용매의 혼합 용매를 사용할 수 있다. 비용매와 용매의 혼합 용매를 사용하는 경우에는, 양호한 다공 구조를 형성하고, 생산성을 향상시키는 관점에서, 응고액 100 wt% 대비 비용매의 함량이 95 wt% 이상인 것이다.
본 발명의 일 실시양태에 따르면, 리튬이차전지용 분리막은 상분리후에 건조될 수 있다. 건조는 당업계에 공지되어 있는 방법을 사용할 수 있으며, 사용된 용매의 증기압을 고려한 온도 범위에서 오븐 또는 가열식 챔버를 사용하여 배치식 또는 연속식으로 가능하다. 상기 건조는 상기 조성물 내에 존재하는 용매를 거의 제거하는 것이며, 이는 생산성 등을 고려하여 가능한 빠른 것이 바람직하며, 예컨대 1분 이하, 바람직하게는 30초 이하의 시간 동안 실시될 수 있다.
상기 다공성 코팅층의 형성은 다공성 고분자 기재의 양면 모두 또는 일면에만 선택적으로 수행될 수 있다.
이와 같이 제조된 리튬이차전지용 분리막은 전기화학소자용 분리막으로도 이용될 수 있다. 상기 전기화학소자는 전기화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 1차, 2차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 캐퍼시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 상기 2차 전지 중 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함하는 리튬 이차 전지가 바람직하다.
본 발명에 따른 구체적인 일 실시양태에 있어서, 리튬 이차 전지는 당 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 본원 발명에 따른 일 실시양태에 따르면 양극과 음극 사이에 전술한 분리막을 개재(介在)시켜 전극 조립체를 준비하고 이를 전지 케이스에 수납한 후 전해액을 주입함으로써 이차 전지를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 이차 전지의 전극은 당업계에 알려진 통상 적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 접착된 형태로 제조할 수 있다. 상기 전극 활물질 중 양극 활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기 화학 소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극 활물질이 사용가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들의 조합에 의하여 형성되는 복합산화물 등과 같은 리튬흡착물질(lithium intercalation material) 등이 바람직하다. 음극 활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기 화학 소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극 활물질이 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.
본 발명에서 사용될 수 있는 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 (γ-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
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. 본 발명의 전극 조립체를 전지로 적용하는 공정으로는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
실시예 1
다공성 코팅층 형성용 조성물의 준비
무기물 입자로 500 nm의 D50 직경을 갖는 Al2O3 분말을 준비하였다.
바인더로 2종의 PVdF계 바인더를 준비하되, 제1 바인더로서 190 ℃ 에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 이 바인더 시편은 TA Instruments사의 DMA Q800의 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정시, 15℃ 내지 27.6 ℃ 에서 tan δ 피크를 가져서, 탄성이 우세한 유변학적 거동을 특징으로 하는 PVdF-TFE 바인더 (Daikin社, VT-475)와, 제2 바인더로서 190 ℃ 에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 이 바인더 시편은 TA Instruments사의 DMA Q800의 DMA 장비로 측정시, 8℃ 내지 20.2 ℃에서 tan δ 피크를 가져서 점성이 우세한 유변학적 거동을 특징으로 하는 PVdF-HFP 바인더 (Solvay社, Solef 21510)를 준비하였다.
상기 제1 바인더와 상기 제2 바인더 각각의 온도와 tan δ의 관계를 나타낸 그래프가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서 제1 바인더는 약 19.44 ℃에서 피크를 가지며, 제2 바인더는 약 11.45 ℃에서 피크를 갖는다.
또한, 상기 제1 바인더와 상기 제2 바인더 각각의 복소 모듈러스와 위상각의 관계를 나타낸 그래프가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서 상기 제1 바인더는 약 105 내지 약 106 Pa 범위의 복소 모듈러스 값에서 위상각 30도 미만을 갖는 유변학적 거동을 나타내고, 상기 제2 바인더는 약 105 Pa 이하, 보다 구체적으로는 약 103 내지 약 105 Pa 범위의 복소 모듈러스 값에서 위상각 45도 이상을 갖는 유변학적 거동을 나타낸다.
이 때, 상기 제1 바인더와 상기 제2 바인더 각각의 복소 모듈러스와 위상각의 관계는 상기 제1 바인더와 제2 바인더를 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작하고, 190 ℃에서 ARES(Advanced Rheometric Expansion System) 측정에 의해 확인하였다.
또한, 상기 제1 바인더와 상기 제2 바인더 각각의 각 주파수와 복소 점도의 관계를 나타낸 그래프가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에서 제1 바인더는 제2 바인더에 비해 큰 복소 점도를 가지며, 이로부터 제1 바인더가 제2 바인더에 비해 큰 중량평균분자량을 가짐을 추론할 수 있다. 또한, 제1 바인더는 상대적으로 큰 복소 점도 변화를 나타내는 반면, 제2 바인더는 상대적으로 작은 복소 점도 변화를 나타낸다.
또한, 상기 제1 바인더와 상기 제2 바인더 각각의 온도와, 저장 모듈러스 및 손실 모듈러스의 관계를 나타낸 그래프가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서 제1 바인더는 약 0 ℃ 이상의 온도에서 제2 바인더보다 우세한 저장 모듈러스를 나타내고 있으므로, 제1 바인더가 약 0 ℃ 이상의 온도에서 제2 바인더보다 우수한 탄성 특성을 나타내는 것으로 추론할 수 있고, 제2 바인더가 약 -40 내지 약 20 ℃ 범위에서 제1 바인더에 비해 우세한 손실 모듈러스를 나타내므로, 제2 바인더가 약 -40 내지 약 20 ℃ 범위에서 제1 바인더에 비해 우수한 점성 특성을 나타내고 제1 바인더는 제2 바인더에 비해 낮은 점성 특성, 즉, 흐름성이 낮음을 추론할 수 있다.
상기 Al2O3 분말, 제1 바인더 및 제2 바인더는 65wt%:5wt%:30wt%가 되도록 준비하였다.
제1 바인더와 상기 제2 바인더를 혼합하여 N-메틸 피롤리돈(NMP)를 용매로 하여 상온 23 ℃에서 약 1시간 용해시켜 바인더 조성물을 제조하였다. 이어서, 상기 혼합된 무기물 입자를 상기 바인더 조성물에 첨가하였다. 무기물 입자가 포함된 바인더 조성물을 비드 밀(Bead mill) 기기를 이용하여, 직경 0.65 mm의 비드로 이루어진 층을 3 내지 5회 통과시킴으로써 무기물 입자를 분산시켜 다공성 코팅층 형성용 조성물을 제조하였다. 이 때, 다공성 코팅층 형성용 조성물 중 고형분 함량은 25 wt%가 되도록 조절하였다.
다공성 고분자 기재에 다공성 코팅층 형성
다공성 고분자 기재로 6 cm x 15 cm 크기의 폴리에틸렌 다공성 고분자 필름(두께 9 ㎛, 다공도 43%, 통기시간 110 sec, 저항 0.45 Ω)을 준비하였다.
상기 다공성 코팅층 형성용 조성물을 딥 코팅으로, 전술한 6 cm x 15 cm 크기의 폴리에틸렌 다공성 고분자 기재의 양면에 도포하였다. 이어서, 상기 다공성 코팅층 형성용 조성물이 도포된 폴리에틸렌 다공성 고분자 기재를 비용매인 물에 바로 침지하여 용매/비용매 교환을 통해 상분리를 진행하였다. 이후 치환된 비용매인 물을 건조하여, 다공성 고분자 기재의 양면에, 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막을 제조하였다. 상기 다공성 코팅층에서 상기 바인더는 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착시키고, 또한, 무기물 입자와 다공성 고분자 기재가 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 부착시키며, 상기 무기물 입자들은 서로 접촉한 상태에서 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)을 형성하고, 상기 무기물 입자 사이의 인터스티셜 볼륨은 빈 공간이 되어 다공성 코팅층의 기공을 형성하는 구조를 갖는다. 또한, 바인더층에 용매가 비용매인 물과 교환시 발생한 다공성 기공도 형성된 구조를 갖는다. 도포된 다공성 코팅층의 전체 코팅량은 5.8 g/m2 수준으로 측정되었다.
실시예 2
Al2O3 분말: 제1 바인더: 제2 바인더가 wt%로 70:5:25의 비율로 포함되는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 코팅층 형성을 위한 최종 조성물을 제조하였다. 상기 최종 조성물 중 고형분 함량은 20 wt%가 되도록 조절하였다.
다음으로 다공성 고분자 기재를 준비하고 상기 최종 조성물을 상기 기재의 일면에 도포하여, 다공성 고분자 기재의 일면에, 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막을 제조하였다. 도포된 다공성 코팅층의 전체 코팅량은 5.6 g/m2 수준으로 측정되었다.
실시예 3
Al2O3 분말: 제1 바인더: 제2 바인더:제3 바인더가 wt%로 70:2:24:4의 비율이 되도록 준비하고, 상기 제3 바인더를 바인더 조성물 제조시 제1 및 제2 바인더와 함께 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 코팅층 형성을 위한 최종 조성물을 제조하였다. 상기 최종 조성물 중 고형분 함량은 20wt%가 되도록 조절하였다. 상기 제3 바인더로는 PVDF-CTFE(Solvay社, Solef 32008)를 사용하였다.
한편, 상기 PVDF-CTFE(Solvay社, Solef 32008)를 190 ℃ 에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작하고, 이를 TA Instruments사의 DMA Q800의 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정하였으며, 약 -7.56 ℃ 에서 tan δ 피크를 가지는 것을 확인하였다.
다음으로 다공성 고분자 기재를 준비하고 상기 최종 조성물을 상기 기재의 일면에 도포하여, 다공성 고분자 기재의 일면에, 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막을 제조하였다. 도포된 다공성 코팅층의 전체 코팅량은 6.48 g/m2 수준으로 측정되었다.
실시예 4
Al2O3 분말: 제1 바인더: 제2 바인더:제3 바인더가 wt%로 72:2:22:4의 비율이 되도록 준비하고, 상기 제3 바인더를 바인더 조성물 제조시 제1 및 제2 바인더와 함께 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 코팅층 형성을 위한 최종 조성물을 제조하였다. 상기 최종 조성물 중 고형분 함량은 20 wt%가 되도록 조절하였다. 상기 제3 바인더로는 PVDF-CTFE(Solvay社, Solef 32008)를 사용하였다.
다음으로 다공성 고분자 기재를 준비하고 상기 최종 조성물을 상기 기재의 일면에 도포하여, 다공성 고분자 기재의 일면에, 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막을 제조하였다. 도포된 다공성 코팅층의 전체 코팅량은 6.8 g/m2 수준으로 측정되었다.
실시예 5
Al2O3 분말: 제1 바인더: 제2 바인더:제3 바인더가 wt%로 70:2:22:6의 비율이 되도록 준비하고, 상기 제3 바인더를 바인더 조성물 제조시 제1 및 제2 바인더와 함께 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 코팅층 형성을 위한 최종 조성물을 제조하였다. 상기 최종 조성물 중 고형분 함량은 20 wt%가 되도록 조절하였다. 상기 제3 바인더로는 PVDF-CTFE(Solvay社, Solef 32008)를 사용하였다.
다음으로 다공성 고분자 기재를 준비하고 상기 최종 조성물을 상기 기재의 일면에 도포하여, 다공성 고분자 기재의 일면에, 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막을 제조하였다. 도포된 다공성 코팅층의 전체 코팅량은 6.96 g/m2 수준으로 측정되었다.
실시예 6
제2 바인더로 PVDF-HFP(Solvay社, Solef 20808)를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 다공성 코팅층 형성을 위한 최종 조성물을 제조하였다. 상기 최종 조성물 중 고형분 함량은 20 wt%가 되도록 조절하였다.
다음으로 다공성 고분자 기재를 준비하고 상기 최종 조성물을 상기 기재의 일면에 도포하여, 다공성 고분자 기재의 일면에, 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막을 제조하였다. 도포된 다공성 코팅층의 전체 코팅량은 6.96 g/m2 수준으로 측정되었다.
한편, 상기 PVDF-HFP(Solvay社, Solef 20808)를 190 ℃ 에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작하고, 이를 TA Instruments사의 DMA Q800의 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정하였으며, 11.95 ℃ 에서 tan δ 피크를 가지는 것을 확인하였다.
비교예 1:
제1 바인더는 포함되지 않으며, 실시예 1에서 제2 바인더로 사용된 PVdF-HFP 바인더 (Solvay社, Solef 21510)만을 다공성 코팅층 형성용 조성물의 바인더로 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 다공성 코팅층 형성용 조성물을 준비하였다. 이후, 실시예 1과 동일한 재료 및 방법으로, 다공성 고분자 기재의 양면에 상기 다공성 코팅층 형성용 조성물을 코팅하여, 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막을 제조하였다.
비교예 2
제1 바인더는 사용하지 않으며, Al2O3 분말: 제2 바인더:제3 바인더가 wt%로 65:30:5의 비율이 되도록 준비하는 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 다공성 코팅층 형성을 위한 최종 조성물을 제조하였다. 상기 최종 조성물 중 고형분 함량은 20 wt%가 되도록 조절하였다. 이후, 실시예 1과 동일한 재료 및 방법으로, 다공성 고분자 기재의 양면에 상기 다공성 코팅층 형성용 조성물을 코팅하여, 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막을 제조하였다.
비교예 3
제1 바인더는 사용하지 않으며, Al2O3 분말: 제2 바인더:제3 바인더가 wt%로 65:25:10의 비율이 되도록 준비하는 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 다공성 코팅층 형성을 위한 최종 조성물을 제조하였다. 상기 최종 조성물 중 고형분 함량은 18 wt%가 되도록 조절하였다. 이후, 실시예 1과 동일한 재료 및 방법으로, 다공성 고분자 기재의 양면에 상기 다공성 코팅층 형성용 조성물을 코팅하여, 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막을 제조하였다.
비교예 4
제1 바인더로 PVDF-HFP-AA(Solvay社, Solef 75130) 을 사용하고 Al2O3 분말: 제1 바인더:제2 바인더가 wt%로 70:15:15의 비율이 되도록 준비하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 코팅층 형성을 위한 최종 조성물을 제조하였다. 상기 최종 조성물 중 고형분 함량은 20 wt%가 되도록 조절하였다. 이후, 실시예 1과 동일한 재료 및 방법으로, 다공성 고분자 기재의 양면에 상기 다공성 코팅층 형성용 조성물을 코팅하여, 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비한 리튬이차전지용 분리막을 제조하였다.
상기 PVDF-HFP-AA(Solvay社, Solef 75130)를 190 ℃ 에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작하고, 이를 TA Instruments사의 DMA Q800의 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정하였으며, 20.5℃ 에서 tan δ 피크를 가지는 것을 확인하였다.
평가
상기 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1 내지 비교예 4 각각에서 제조된 리튬이차전지용 분리막에 대해서 다공성 코팅층의 패킹 밀도 D, 통기도, 전극 접착력, 박리력, 고온 수축률 및 전기 저항에 대하여 하기 측정 방법에 의해 평가하고, 그 결과를 [표 2] 및 [표 3]에 기재하였다. 또한, 리튬이차전지용 분리막의 표면 및 단면의 SEM 이미지를 도 5 및 도 6에 나타내었다.
(1) 다공성 코팅층의 패킹 밀도 D
다공성 고분자 기재의 단위면적(m2)당 1㎛의 높이에 로딩되는 다공성 코팅층의 밀도로 정의되며, 하기 식으로부터 산출될 수 있다:
D = (Sg - Fg)/(St - Et)이고,
상기에서 Sg는 다공성 코팅층이 다공성 고분자 기재에 형성된 리튬이차전지용 분리막의 단위면적(m2)의 무게(g)이고,
Fg는 다공성 고분자 기재의 단위면적(m2)의 무게(g)이고,
St는 다공성 코팅층이 다공성 고분자 기재에 형성된 세퍼레이터의 두께(㎛)이고,
Ft는 다공성 고분자 기재의 두께(㎛)이다.
(2) 리튬이차전지용 분리막의 통기도
통기도(걸리)는 ASTM D726-94 방법에 의해 측정하였다. 여기서 사용된 걸리는, 공기의 흐름에 대한 저항으로서, 걸리 덴소미터(densometer)에 의해 측정된다. 여기서 설명된 통기도 값은 100 cc의 공기가 12.2 inH2O의 압력하에서, 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 각각의 다공성 고분자 기재 및 리튬이차전지용 분리막의 1 in2의 단면을 통과하는 데 걸리는 시간(초), 즉 통기시간으로 나타낸다.
(3) 전극 접착력
음극활물질로 인조흑연, 도전재로 덴카블랙(carbon black), 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 각각 75:5:25의 중량비로 혼합하고, 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP)을 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다.
상기 음극 슬러리를 3.8 mAh/cm2의 로딩량으로 구리 집전체에 코팅 및 건조하여, 음극 활물질층이 형성된 음극을 준비하였다.
실시예 1 내지 실시예 6및 비교예 1 내지 비교예 3에서 준비된 리튬이차전지용 분리막의 다공성 코팅층 표면이 상기 음극 활물질층과 접하도록 적층시킨 후에 라미네이션 장비에 넣어 접착시켰다. 이 샘플을 UTM 장비를 이용하셔 속도 100mm/min로 전극-분리막(다공성 코팅층) 접착면이 박리되는데 필요한 힘을 측정하였다.
(4) 고온 수축률 평가
고온 수축률은 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1 내지 비교예 4 각각의 리튬이차전지용 분리막을 50 mm (길이) x 50 mm (폭) 의 크기로 절단하여 시험편을 준비하고, 이를 150 ℃로 가열된 오븐에 30분 동안 유지시키고, 이후 시편을 회수하고 기계방향(MD) 및 기계횡방향(TD)에 대해 변화된 길이를 측정하여 계산한다: 수축율(%) = {(수축 전 치수 - 수축 후 치수)/수축 전 치수} x 100
(5) 분리막의 전기 저항 평가
전기저항은 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 비교예 4의 리튬이차전지용 분리막을 사용하여 코인셀을 제작하고, 상기 코인셀을 상온에서 1일간 방치한 후에 상기 리튬이차전지용 분리막의 저항을 임피던스 측정법으로 측정한다. 코인셀은 하기와 같이 제조한다.
음극의 제조
음극활물질로 인조흑연, 도전재로 덴카블랙(carbon black), 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 각각 75:5:25의 중량비로 혼합하고, 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP)을 첨가하여 음극 슬러리를 제조하였다.
상기 음극 슬러리를 3.8 mAh/cm2의 로딩량으로 구리 집전체에 코팅 및 건조하여 음극을 준비하였다.
양극의 제조
양극 활물질로서 LiCoO2, 도전재로 덴카 블랙 및 바인더로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)를 85:5:15의 중량비로 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP)에 첨가하여, 양극활물질 슬러리를 준비하였다. 상기 양극활물질 슬러리를 시트 형상의 알루미늄 집전체 위에 코팅하고 건조시켜서 최종 양극 로딩양이 3.3 mAh/cm2이 되도록 양극 활물질층을 형성하였다.
코인셀의 제조
상기와 같이 제작된 음극과 양극 사이에 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1 내지 비교예 4 각각의 리튬이차전지용 분리막을 개재시키고, 비수전해액 (1M LiPF6, 에틸렌 카보네이트(EC)/프로필렌 카보네이트(PC)/디에틸 카보네이트(DEC))(부피비 = 3:3:4)을 주입하여 코인셀을 제작하였다.
(6) 박리력(peel strength) 평가
각 실시예(1 내지 6) 및 비교예(1 내지 4)에서 수득한 분리막 샘플을 100 mm (길이) x 15 mm (폭) 의 크기로 절단하여 글라스 위에 양면 접착 테이프를 붙이고, 상기 양면 테이프의 반대면 위에 시험편을 부착하여 준비하였다. 이와 같이 수득된 결과물을 접착강도 측정기기 LLOYD Instrument, LF plus에 고정시키고, 상부의 분리막 시험편을 300mm/min 속도로 180°각도로 박리하고 이 때의 강도를 측정하였다.
아래 [표 1]은 각 실시예(1 내지 6) 및 비교예(1 내지 4)에서 사용된 바인더 수지 중 제1, 제2 및 제3 바인더의 함량비를 정리하여 나타낸 것이다.
총 바인더 100wt% 무기물 입자: 바인더 함량비
(wt%)
제1 바인더(wt%) 제2 바인더(wt%) 제3 바인더(wt%)
실시예 1 14.3 85.7 0 65:35
실시예 2 16.7 83.3 0 65:35
실시예 3 6.7 80.2 13.3 70:30
실시예 4 7.1 78.6 14.3 70:30
실시예 5 6.7 73.3 20 70:30
실시예 6 6.7 80.2 13.3 70:30
비교예 1 0 100 0 65:35
비교예 2 0 85.7 14.3 65:35
비교예 3 0 71.4 24.6 65:35
비교예 4 50 50 0 70:30
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6
다공성 고분자 기재 두께(㎛) 9 9 9 9 9 9
다공성 코팅층 두께(㎛) 4.6 4.8 5.0 5.02 5.6 5.6
다공성 코팅층 로딩량(g/m2) 5.8 5.6 6.48 6.8 6.96 6.96
다공성 코팅층 패킹 밀도 D(g/cm3) 1.26 1.16 1.30 1.35 1.24 1.24
다공성 고분자 기재 통기도(sec/100cc) 92 92 92 98 98 98
다공성 코팅층 통기도(sec/100cc) 155 142 145 147 153 153
음극-분리막의 접착력(gf/25mm) 100 65 60 57 52 51
고온 수축률(%) MD 61 62 58 56 56 46
TD 62 64 56 54 52 46
박리력
(peel strength,gf/15mm)		 Top 149 88 91 130 191 120
back 66 60 124 77 120 90
저항(Ω) 0.72 0.78 0.78 0.73 0.74 1.05
Microvoid의 발생 유무 미발생 미발생 미발생 미발생 미발생 미발생
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
다공성 고분자 기재 두께(㎛) 9 9 9 9
다공성 코팅층 두께(㎛) 7.3 5.3 5.0 5.8
다공성 코팅층 로딩량(g/m2) 7 6.7 6.6 7.0
다공성 코팅층 패킹 밀도 D(g/cm3) 1.09 1.27 1.32 1.2
다공성 고분자 기재 통기도(sec/100cc) 77 92 92 98
다공성 코팅층 통기도(sec/100cc) 189 167 157 129
음극-분리막의 접착력(gf/25mm) 58.6 67 75 25
고온 수축률(%) MD 60 58 60 44
TD 58 60 60 49
박리력
(peel strength,gf/15mm)		 Top 70 246 259 58
back 80 164 81 65
저항(Ω) 0.92 1.0 1.01 0.83
Microvoid의 발생 유무 발생 발생 발생 발생
상기 [표 2] 및 [표 3]으로부터, 본원 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 6의 분리막이 비교예 1 내지 비교예 4의 분리막에 비해 우수한 전기화학적 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
동량의 바인더가 사용된 실시예 1, 실시예 2와 비교예 1 및 비교예 2를 비교해 보면 실시예 1 및 실시예 2의 분리막의 경우 박리 강도는 전지 구동에 충분한 범위로 확보되었으며, 비교예 1에 비해 microvoid가 발생되지 않았으며 저항 특성이 우수하게 나타났다. 또한, 음극/분리막 접착력의 경우에도 비교예 1에 비해서 높은 접착력을 발휘하는 것으로 확인되었다.
한편, 실시예 3 내지 실시예 6은 바인더의 함량이 비교예 1 및 비교예 4 보다 낮으나 음극/분리막 접착력 및 박리력이 전지 구동에 충분한 범위로 확보되었으며, microvoid의 발생 측면 및 저항 특성의 측면에서 비교예 1 내지 비교예 4에 비해 우수하였다.
한편, 비교예 4의 경우 제2 바인더의 함량이 저하되어 음극/분리막 사이의 접착력이 실시예 1 내지 실시예 3에 비해서 저하되었다.
(5) SEM 이미지
실시예 1 및 비교예 1 각각에서 제조된 리튬이차전지용 분리막의 단면을 SEM 사진으로 촬영하고, 각각 도 5와 도 6에 개재하였다. 도 5과 도 6의 비교로부터, 실시예 1의 리튬이차전지용 분리막을 구성하는 다공성 코팅층이, 비교예 1의 리튬이차전지용 분리막을 구성하는 다공성 코팅층보다 더 두꺼운 반면 microvoid 가 발생되지 않아 안전성이 더욱 개선되었다.

Claims (13)

  1. 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되어 있으며 바인더와 무기물 입자가 혼합되어 있는 다공성 코팅층을 구비하고,
    상기 바인더는 상기 무기물 입자들이 서로 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 서로 부착시키고, 또한, 상기 무기물 입자와 상기 다공성 고분자 기재가 결착된 상태를 유지할 수 있도록 이들을 부착시키며,
    상기 무기물 입자들은 서로 접촉한 상태에서 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)을 형성하고, 상기 무기물 입자 사이의 인터스티셜 볼륨은 빈 공간이 되어 다공성 코팅층의 기공을 형성하며,
    상기 바인더가 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 이 바인더 시편은 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정시, 15℃ 내지 27.6 ℃에서 tan δ 피크를 갖는 제1 바인더와 8℃ 내지 20.2 ℃에서 tan δ 피크를 갖는 제2 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 코팅층의 바인더가 상기 제1 바인더와 제2 바인더로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 제3 바인더를 더 포함하며, 상기 제3 바인더는 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 상기 바인더 시편을 DMA (Dynamic Mechanical Analysis)로 측정시, -12℃ 내지 0 ℃에서 tan δ 피크를 갖는 것인 리튬이차전지용 분리막.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 바인더는 제1, 제2 및 제3 바인더의 총 함량 100wt% 대비 8wt% 내지 25wt%의 비율로 포함되는 것인 리튬이차전지용 분리막.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제3 바인더는 PVDF-CTFE를 포함하는 것인 리튬이차전지용 분리막.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바인더와 상기 제2 바인더를 합한 100 wt% 기준으로 상기 제1 바인더가 5 내지 50 wt%의 양으로 포함되고, 상기 제2 바인더가 50 내지 95 wt%의 양으로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바인더는 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 190 ℃에서 ARES(Advanced Rheometric Expansion System) 측정에 의해 위상각 (phase angle) 45도 미만에서 거동을 나타내는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 바인더는 190 ℃에서 가압에 의해 두께 0.4 mm의 바인더 시편으로 제작된 경우, 190 ℃에서 ARES 측정에 의해 위상각 45도 이상에서 거동을 나타내는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바인더와 상기 제2 바인더를 합한 100 wt% 기준으로 상기 제1 바인더가 5 내지 15 wt%의 양으로 포함되고 상기 제2 바인더가 85 내지 95 wt%의 양으로 포함되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바인더가 상기 tan d 피크 조건을 만족하는 것으로서 폴리(비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(PVdF-TFE), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(PVdF-TrFE), PVDF-HFP-AA 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 바인더가 상기 tan d 피크 조건을 만족하는 것으로서 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌)(PVdF-HFP)인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 코팅층이 분산제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지용 분리막.
  13. 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 리튬이차전지에 있어서, 상기 분리막이 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 리튬이차전지용 분리막인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
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