KR20220010576A - A composite membrane comprising a conductive material layer, and secondary cell battery, electrochemical element, and electrochemical device comprising the same, and the method thereof - Google Patents

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Abstract

According to the present specification, provided is a functional composite separator including: a porous substrate; and a conductive material layer laminated on the porous substrate, wherein the conductive material layer includes a conductive material and a binder resin, and the porous substrate includes a functional group having a negative charge.

Description

도전재층을 포함하는 기능성 복합 분리막, 이를 포함하는 이차전지, 전기화학 소자, 전기화학 장치, 및 그 제조방법{A composite membrane comprising a conductive material layer, and secondary cell battery, electrochemical element, and electrochemical device comprising the same, and the method thereof}A functional composite separator including a conductive material layer, a secondary battery including the same, an electrochemical device, an electrochemical device, and a manufacturing method thereof same, and the method thereof}

본 발명은 플라즈마로 처리한 고전도성 도전재가 담지된 전기화학소자용 기능성 복합 분리막에 관한 것으로서, 활물질의 전하 전달 저항 감소, 전해질과의 젖음성 향상 및 활물질의 크로스오버 현상을 방지할 수 있는 기능성 복합 분리막 및 이를 포함하는 이차 전지, 및 전기화학장치에 관한 것이다.The present invention relates to a functional composite separator for an electrochemical device on which a high-conductivity conductive material treated with plasma is supported, and a functional composite separator capable of reducing the charge transfer resistance of an active material, improving wettability with an electrolyte, and preventing crossover of the active material And to a secondary battery including the same, and to an electrochemical device.

최근, 산업의 발전으로 에너지 수요량이 증가하면서 전기 자동차, 휴대 가전제품, 드론 등에 사용할 수 있는 충·방전이 가능한 전기화학소자의 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 특히, 이차전지의 용량 및 비에너지를 향상시키기 위해 새로운 분리막에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.Recently, as the amount of energy demand increases due to the development of industry, research and development of electrochemical devices capable of charging and discharging that can be used for electric vehicles, portable home appliances, drones, etc. are being actively conducted. In particular, in order to improve the capacity and specific energy of the secondary battery, research and development for a new separator is being actively conducted.

이차전지의 구성에 있어서, 분리막은 양극과 음극 사이의 물리적인 접촉을 방지하고, 이온을 선택적으로 투과시켜 전지 안정성에 큰 영향을 미친다. 따라서 높은 안정성과 우수한 성능의 분리막 개발이 요구되고 있다.In the configuration of the secondary battery, the separator prevents physical contact between the positive electrode and the negative electrode and selectively transmits ions, thereby greatly affecting battery stability. Therefore, the development of a separation membrane with high stability and excellent performance is required.

이차전지 중에서 최근에 많이 연구되고 있는 리튬-황 이차전지는 높은 전지용량으로 많은 주목을 받고 있으나, 음극 표면의 덴드라이트(dendrite) 형성, 낮은 이온 전도도, 활물질의 분리막 투과 현상 그리고 활물질의 낮은 반응성 등의 원인으로 용량이 급격하게 감소하는 문제점이 있다.Among secondary batteries, lithium-sulfur secondary batteries, which have been studied a lot in recent years, are attracting a lot of attention due to their high battery capacity. There is a problem in that the capacity is rapidly reduced as a cause of this.

이를 극복하기 위한 방법으로 대한민국 특허 KR 10-2018-0061064 A에서는 분리막 표면에 유기 고분자 재료의 탄화물을 포함하여 활물질의 반응성을 높인 바 있다. 하지만 활물질인 폴리설파이드의 투과 현상을 충분하게 방지하지 못하여 전지 용량이 저하되어 내구성이 좋지 않은 문제점이 있는 것으로 보고되었다.As a method for overcoming this, Korean Patent KR 10-2018-0061064 A includes a carbide of an organic polymer material on the surface of the separator to increase the reactivity of the active material. However, it has been reported that there is a problem in that the battery capacity is lowered because the permeation phenomenon of polysulfide, which is the active material, cannot be sufficiently prevented, so that the durability is not good.

대한민국 특허 KR 10-2018-0056408 A에서는 분리막 표면에 음이온 계면활성제를 다공성 코팅층에 포함시키므로써 양극으로부터 용출되는 활물질 이온을 흡착하여, 음극의 퇴화 현상을 방지함으로써 전지의 사이클 수명을 향상시킨 사례가 있다. 하지만 활물질의 반응성을 높이지 못한 한계점으로 인하여 낮은 용량을 보였다.In Korean Patent KR 10-2018-0056408 A, the cycle life of the battery is improved by adsorbing active material ions eluted from the positive electrode by including an anionic surfactant on the surface of the separator in the porous coating layer, thereby preventing the deterioration of the negative electrode. . However, due to the limit of not increasing the reactivity of the active material, it showed a low capacity.

대한민국 특허 KR 10-2018-0023627 A에서는 분리막 표면에 이온성 폴리머, 무기 충진제 및 리튬 염을 포함하는 조성물로 형성된 덴드라이트 성장 억제층을 도포시켜 덴드라이트의 국부적 성장을 효과적으로 억제함과 동시에, 낮은 계면저항으로 이온 전도도를 높여 전지의 성능을 높였다. 하지만 리튬-황 활물질의 투과 현상 및 활물질의 낮은 반응성 문제를 해결하지 못하였다. 이로 인해, 전지의 성능 유지 비율은 비교적 낮은 결과를 나타내었다.In Korean Patent KR 10-2018-0023627 A, a dendrite growth inhibitory layer formed of a composition containing an ionic polymer, an inorganic filler, and a lithium salt is applied to the surface of the separator to effectively inhibit the local growth of dendrites, and at the same time, a low interface By increasing the ionic conductivity with the resistance, the performance of the battery was improved. However, the problem of permeation of the lithium-sulfur active material and the low reactivity of the active material could not be solved. For this reason, the performance maintenance ratio of the battery showed a relatively low result.

따라서, 본 발명에서는 음극 표면의 덴드라이트 형성, 낮은 이온 전도도, 활물질의 투과 현상 그리고 활물질의 낮은 반응성과 같은 기술적 과제를 해결하기 위해서, 플라즈마 처리된 고전도성 도전재가 담지된 전기화학소자용 복합 고분자 분리막을 개발하였다.Therefore, in the present invention, in order to solve technical problems such as dendrite formation on the surface of the negative electrode, low ionic conductivity, permeation of the active material, and low reactivity of the active material, a plasma-treated high-conductivity conductive material-supported composite polymer separator for electrochemical devices has been developed.

KRKR 10-2018-0061064 10-2018-0061064 AA KRKR 10-2018-0056408 10-2018-0056408 AA KRKR 10-2018-0023627 10-2018-0023627 AA

본 발명의 일 측면은 전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 활물질 이온의 투과 방지, 양극 활물질의 반응성 향상, 음극에서의 덴드라이트 성장 억제 및 양극에서의 이온 전도도를 향상시킬 수 있는 기능성 복합 분리막을 제공하는 것을 목적으로 한다.One aspect of the present invention provides a functional composite separator capable of preventing the permeation of active material ions, improving the reactivity of the positive electrode active material, inhibiting dendrite growth in the negative electrode, and improving ionic conductivity in the positive electrode in order to solve the above technical problem aim to do

본 발명의 일 구현예에서, 다공성 기재; 상기 다공성 기재 상에 적층된 도전재층;을 포함하며, 상기 도전재층은 도전재 및 바인더 수지를 포함하고, 상기 다공성 기재는 음전하를 띄는 작용기를 포함하는 것인, 기능성 복합 분리막이 제공된다.In one embodiment of the present invention, a porous substrate; A conductive material layer laminated on the porous substrate; includes, wherein the conductive material layer includes a conductive material and a binder resin, and the porous substrate includes a functional group having a negative charge, a functional composite separator is provided.

예시적인 구현예에서, 상기 음전하를 띄는 작용기는 하이드록실기, 아민기, 암모니아기 및 카르복실기 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the negatively charged functional group may include at least one of a hydroxyl group, an amine group, an ammonia group, and a carboxyl group.

예시적인 구현예에서, 상기 다공성 기재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에터에터케톤, 폴리아릴에터케톤, 폴리에터이미드, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에터설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 사이클릭 올레핀 코폴리머, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 유리 섬유, 폴리비닐리덴다이플로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 실리카, 알루미나, 타이타니아, 및 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 물질, 이들 2종 이상의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the porous substrate may include polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyacetal, polyamide, polyimide, polycarbonate, polyetheretherketone, polyaryletherketone, Polyetherimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyphenylene oxide, cyclic olefin copolymer, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalate, glass fiber, polyvinylidene difluoride, poly It may include any one material selected from the group consisting of tetrafluoroethylene, silica, alumina, titania, and zeolite, a copolymer of two or more thereof, or a mixture thereof.

예시적인 구현예에서, 상기 다공성 기재는 다층 기재이고, 상기 다층 기재의 각 층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에터에터케톤, 폴리아릴에터케톤, 폴리에터이미드, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에터설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 사이클릭 올레핀 코폴리머, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 유리 섬유, 폴리비닐리덴다이플로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 실리카, 알루미나, 타이타니아, 및 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 물질, 이들 2종 이상의 공중합체, 또는 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 재료를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the porous substrate is a multi-layer substrate, and each layer of the multi-layer substrate is polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyacetal, polyamide, polyimide, polycarbonate, polyether terether ketone, polyaryl ether ketone, polyether imide, polyamide imide, polybenzimidazole, polyether sulfone, polyphenylene oxide, cyclic olefin copolymer, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalate, Any one material selected from the group consisting of glass fiber, polyvinylidene difluoride, polytetrafluoroethylene, silica, alumina, titania, and zeolite, a copolymer of two or more thereof, or a mixture thereof selected from the group consisting of material may be included.

예시적인 구현예에서, 상기 다공성 기재는 1 - 1000㎛의 두께를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the porous substrate may have a thickness of 1-1000 μm.

예시적인 구현예에서, 상기 도전재층은 음전하를 띄는 작용기를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the conductive material layer may include a functional group having a negative charge.

예시적인 구현예에서, 상기 도전재층은 CO2 플라즈마 처리되어 음전하를 띄는 작용기를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the conductive material layer may include a functional group having a negative charge by being treated with CO 2 plasma.

예시적인 구현예에서, 상기 도전재는 다공성을 갖는 탄소계 물질로서, 상기 탄소계 물질은 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 그래파이트, 그라펜, 활성탄, 탄소섬유, 탄소 나노 튜브, 활성탄 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the conductive material is a porous carbon-based material, and the carbon-based material is natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, graphite, graphene, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube. , activated carbon, or a combination thereof.

예시적인 구현예에서, 상기 도전재는 상기 바인더 수지의 중량에 대하여 5 - 80중량%로 포함될 수 있다.In an exemplary embodiment, the conductive material may be included in an amount of 5 to 80% by weight based on the weight of the binder resin.

예시적인 구현예에서, 상기 바인더는 상기 도전재의 중량에 대하여 5 - 80중량%로 포함될 수 있다.In an exemplary embodiment, the binder may be included in an amount of 5 to 80% by weight based on the weight of the conductive material.

예시적인 구현예에서, 상기 도전재층은 0.01 - 500㎛의 두께를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the conductive material layer may have a thickness of 0.01 - 500 μm.

본 발명의 일 구현예에서, 다공성 기재에 반응기체 플라즈마를 처리하여 상기 다공성 기재에 음전하를 띄는 작용기를 부착하는 단계; 및 상기 다공성 기재 상에 도전재층을 적층하는 단계;를 포함하며, 상기 도전재층은 도전재 및 바인더 수지를 포함하는 것인, 기능성 복합 분리막 제조방법이 제공된다.In one embodiment of the present invention, attaching a functional group having a negative charge to the porous substrate by treating the reactive gas plasma to the porous substrate; and laminating a conductive material layer on the porous substrate, wherein the conductive material layer includes a conductive material and a binder resin, a functional composite separator manufacturing method is provided.

예시적인 구현예에서, 상기 제조방법은 도전재층에 반응기체 플라즈마를 처리하여 상기 도전재층에 음전하를 띄는 작용기를 부착하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the manufacturing method may further include a step of attaching a negatively charged functional group to the conductive material layer by treating the reactive gas plasma to the conductive material layer.

예시적인 구현예에서, 상기 반응기체는 Ar, He, N2, NH3, NF3, F2, O2, CO2, H2, NOx(x=1~3) 및 공기로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상의 기체일 수 있다.In an exemplary embodiment, the reactive gas is from the group consisting of Ar, He, N 2 , NH 3 , NF 3 , F 2 , O 2 , CO 2 , H 2 , NO x (x=1-3) and air. It may be any one or more selected gases.

예시적인 구현예에서, 상기 반응기체는 CO2일 수 있다.In an exemplary embodiment, the reactive gas may be CO 2 .

예시적인 구현예에서, 상기 플라즈마 처리는 DC, RF, 및 마이크로웨이브 중 어느 하나의 동력을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the plasma treatment may include power of any one of DC, RF, and microwave.

예시적인 구현예에서, 상기 플라즈마 처리는 1 mTorr - 10 Torr의 압력 및 -196℃ - 500℃의 온도 조건에서 수행될 수 있다.In an exemplary embodiment, the plasma treatment may be performed at a pressure of 1 mTorr - 10 Torr and a temperature of -196°C - 500°C.

예시적인 구현예에서, 상기 플라즈마 처리는 RF 플라즈마 동력 처리이고, 20kHz - 1GHz의 RF 주파수 및 25 - 10,000W 범위의 동력 조건에서 처리될 수 있다.In an exemplary embodiment, the plasma treatment is an RF plasma power treatment, and may be performed at an RF frequency of 20 kHz - 1 GHz and a power condition in the range of 25 - 10,000 W.

본 발명의 일 구현예에서, 본 발명의 구현예에 따른 기능성 복합 분리막을 포함하는, 이차 전지를 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided a secondary battery comprising the functional composite separator according to the embodiment of the present invention.

예시적인 구현예에서, 상기 이차 전지는 양극, 음극, 기능성 복합 분리막, 및 전해질을 포함하며, 상기 양극과 음극은 서로 대향하여 배치되고, 기능성 복합 분리막 및 전해질은 상기 양극과 음극 사이에 위치할 수 있다.In an exemplary embodiment, the secondary battery may include a positive electrode, a negative electrode, a functional composite separator, and an electrolyte, wherein the positive electrode and the negative electrode are disposed to face each other, and the functional composite separator and the electrolyte may be positioned between the positive electrode and the negative electrode have.

본 발명의 일 구현예에서, 본 발명의 구현예에 따른 기능성 복합 분리막을 포함하는, 전기화학소자를 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided an electrochemical device comprising a functional composite separator according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 구현예에서, 본 발명의 구현예에 따른 기능성 복합 분리막을 포함하는, 전기화학 장치를 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided an electrochemical device comprising a functional composite separator according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 구현예에 따른 기능성 복합 분리막은, 플라즈마 처리를 통하여 금속이온의 전도성은 유지하면서도 양극에서 생성된 황화물이 양극에서 음극으로 이동하는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. The functional composite separator according to an embodiment of the present invention can effectively prevent the movement of sulfides generated in the anode from the anode to the cathode while maintaining the conductivity of metal ions through plasma treatment.

본 발명의 일 구현예에 따른 기능성 복합 분리막은 도전재층을 플라즈마 처리하여, 이를 적용한 전지의 양극에서 황화물 활물질의 반응성을 향상시킴과 동시에 황화물 활물질이 음극으로 이동하는 크로스오버 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. The functional composite separator according to an embodiment of the present invention can effectively prevent a crossover phenomenon in which the sulfide active material moves to the negative electrode while improving the reactivity of the sulfide active material in the positive electrode of the battery to which the conductive material layer is plasma-treated. .

본 발명의 일 구현예에 따른 기능성 복합 분리막은 플라즈마로 처리된 기재와 함께 플라즈마로 처리된 도전재층을 도입함으로써, 금속활물질의 투과속도는 유지하면서, 양극에서 생성된 황화물이 음극으로 이동하는 크로스오버 현상을 방지하고, 양극에서 금속 활물질의 반응활성을 향상시키므로서 음극의 금속 표면에서 덴드라이트가 성장하는 것을 억제하고, 상기 기능성 분리막을 사용한 이차전지의 내구성, 전지 용량, 성능유지율을 향상시키므로서, 전체적으로 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있다.The functional composite separator according to an embodiment of the present invention introduces a plasma-treated conductive material layer together with a plasma-treated substrate, thereby maintaining the permeation rate of the metal active material, and a crossover in which sulfides generated at the anode move to the cathode. By preventing development and improving the reaction activity of the metal active material in the positive electrode, dendrite growth on the metal surface of the negative electrode is suppressed, and the durability, battery capacity, and performance maintenance rate of the secondary battery using the functional separator are improved, Overall, the performance of the secondary battery can be improved.

도 1은 본 발명에 따른 복합분리막을 장착한 이차전지를 도시하는 대략적인 모식도이다.
도 2a는 본 발명의 비교예 1의 복합분리막 표면을 나타낸 SEM 이미지이며, 도 2b는 본 발명의 실시예 1의 복합분리막 표면을 나타낸 SEM 이미지이고, 도 2c는 실시예 3의 분리막 표면을 나타낸 SEM 이미지이며, 도 2d는 실시예 3의 분리막 단면을 나타낸 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1 및 실시예 1에 따른 분리막의 FT-IR 스펙트라를 나타낸다.
도 4a 내지 4h는 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막 표면의 XPS 스펙트라를 나타낸다.
도 5a 내지 5f는 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막 표면의 Wettability 이미지를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막의 리튬 양이온에 대한 이온 전도도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막의 폴리설파이드 이온 투과 농도의 정도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막이 장착된 이차전지의 Electrochemical impedance spectroscopy를 통한 Nyquist plot을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막이 장착된 이차전지의 Cyclic voltammograms를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막이 장착된 이차전지의 구동 시 Initial capacity 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 복합분리막이 장착된 이차전지의 구동 시 전지 용량을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 복합분리막이 장착된 이차전지의 구동 시 전류의 변화에 따른 전지 용량을 나타낸다.
1 is a schematic schematic view showing a secondary battery equipped with a composite separator according to the present invention.
Figure 2a is an SEM image showing the surface of the composite separator of Comparative Example 1 of the present invention, Figure 2b is an SEM image showing the surface of the composite separator of Example 1 of the present invention, Figure 2c is an SEM image showing the surface of the separator of Example 3 image, and FIG. 2d is an SEM image showing a cross-section of the separator of Example 3.
3 shows FT-IR spectra of the separators according to Comparative Example 1 and Example 1 of the present invention.
4a to 4h show the XPS spectra of the surface of the separator according to the overall comparative examples and examples of the present invention.
5a to 5f show wettability images of the surface of the separator according to the overall comparative examples and examples of the present invention.
6 shows the ionic conductivity with respect to lithium cations of the separators according to Comparative Examples and Examples of the present invention.
7 shows the degree of polysulfide ion permeation concentration of the separation membranes according to all Comparative Examples and Examples of the present invention.
8 shows a Nyquist plot through electrochemical impedance spectroscopy of a secondary battery equipped with a separator according to all comparative examples and examples of the present invention.
9 shows cyclic voltammograms of a secondary battery equipped with a separator according to an overall comparative example and an embodiment of the present invention.
10 shows the results of the initial capacity when the secondary battery equipped with the separator according to all Comparative Examples and Examples of the present invention is driven.
11 shows the battery capacity when the secondary battery equipped with the composite separator according to the overall comparative example and embodiment of the present invention is driven.
12 shows the battery capacity according to a change in current when driving a secondary battery equipped with a composite separator according to all Comparative Examples and Examples of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrated for the purpose of explanation only, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention can make various changes and can have various forms, and the embodiments are not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention should be understood as including

기능성 복합 분리막Functional Composite Separator

본 발명에 따른 일 구현예는 다공성 기재; 상기 다공성 기재 상에 적층된 도전재층;을 포함하며, 상기 도전재층은 도전재 및 바인더 수지를 포함하고, 상기 다공성 기재는 음전하를 띄는 작용기를 포함하는 것인, 기능성 복합 분리막을 제공한다.One embodiment according to the present invention is a porous substrate; It includes a conductive material layer laminated on the porous substrate, wherein the conductive material layer includes a conductive material and a binder resin, and the porous substrate includes a functional group having a negative charge, it provides a functional composite separator.

일 구현예에서, 상기 기능성 복합 분리막(130)은 리튬 이차 전지용 분리막일 수 있으며, 예를 들어 리튬-황 이차전지용 분리막일 수 있다.In one embodiment, the functional composite separator 130 may be a separator for a lithium secondary battery, for example, a separator for a lithium-sulfur secondary battery.

일 구현예에서, 상기 다공성 기재(131)는 복수의 기공을 포함할 수 있으며, 예를 들어 통상의 전기화학 소자에 적용되는 기재일 수 있다. 비제한적인 다공성 기재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르를 포함 할 수 있고, 예를 들어 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에터에터케톤, 폴리아릴에터케톤, 폴리에터이미드, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에터설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 사이클릭 올레핀 코폴리머, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 유리 섬유, 폴리비닐리덴다이플로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 실리카, 알루미나, 타이타니아, 및 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 물질, 이들 2종 이상의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 이들을 재료로 하는 분리막일 수 있다.In one embodiment, the porous substrate 131 may include a plurality of pores, for example, may be a substrate applied to a conventional electrochemical device. Non-limiting porous substrates may include polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polyesters such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate, for example, polyacetal, polyamide, polyimide, polycarbonate, polyether terether ketone, polyaryl ether ketone, polyether imide, polyamide imide, polybenzimidazole, polyether sulfone, polyphenylene oxide, cyclic olefin copolymer, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalate, It may include any one material selected from the group consisting of glass fiber, polyvinylidene difluoride, polytetrafluoroethylene, silica, alumina, titania, and zeolite, a copolymer of two or more thereof, or a mixture thereof. , may be a separation membrane using these materials.

일 구현예에서, 상기 다공성 기재(131)는 폴리올레핀을 포함하는 폴리올레핀계 기재일 수 있다. 상기 폴리올레핀계 기재의 경우, 셧다운 기능이 우수하여 전지의 안전성 향상에 기여할 수 있다. 또한, 상기 폴리올레핀계 수지는 올레핀 수지 외에 비올레핀 수지를 포함하거나, 올레핀과 비올레핀 모노머 공중합체를 포함할 수 있다.In one embodiment, the porous substrate 131 may be a polyolefin-based substrate including polyolefin. In the case of the polyolefin-based substrate, the shutdown function is excellent, which may contribute to the improvement of safety of the battery. In addition, the polyolefin-based resin may include a non-olefin resin in addition to the olefin resin, or may include an olefin and a non-olefin monomer copolymer.

일 구현예에서, 상기 다공성 기재(131)는 다층 기재일 수 있고, 상기 다층 기재의 각 층은 전술한 다공성 기재의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 기재는 폴리에틸렌 단일막, 폴리프로필렌 단일막, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 이중막, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 삼중막, 및 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 삼중막일 수 있다.In one embodiment, the porous substrate 131 may be a multi-layered substrate, and each layer of the multi-layered substrate may include the above-described porous substrate material. For example, the porous substrate may be a polyethylene single membrane, a polypropylene single membrane, a polyethylene/polypropylene double membrane, a polypropylene/polyethylene/polypropylene triple membrane, and a polyethylene/polypropylene/polyethylene triple membrane.

일 구현예에서, 상기 다공성 기재(131)는 기공 크기가 1 nm 내지 10 ㎛일 수 있으며, 상기 다공성 기재(131)의 기공율은 10% 내지 99% 일 수 있다.In one embodiment, the porous substrate 131 may have a pore size of 1 nm to 10 μm, and the porosity of the porous substrate 131 may be 10% to 99%.

일 구현예에서, 상기 다공성 기재(131)의 두께는 1 - 1000 ㎛ 일 수 있으며, 예를 들어 1 - 20 ㎛, 1 - 30 ㎛, 10 - 50 ㎛, 50 - 200 ㎛, 100 - 300 ㎛, 100 - 500 ㎛, 또는 500 - 1000 ㎛의 범위의 두께를 가질 수 있다. 다공성 기재의 두께가 1 ㎛ 미만의 경우 기계적 강도가 너무 낮아서 쉽게 손상을 입을 수 있고, 두께가 1000 ㎛ 초과의 경우 물질전달 속도 및 이온전도도가 너무 작아질 수 있다.In one embodiment, the thickness of the porous substrate 131 may be 1 - 1000 µm, for example, 1 - 20 µm, 1 - 30 µm, 10 - 50 µm, 50 - 200 µm, 100 - 300 µm, It may have a thickness in the range of 100-500 μm, or 500-1000 μm. When the thickness of the porous substrate is less than 1 μm, the mechanical strength is too low and thus easily damaged, and when the thickness is more than 1000 μm, the mass transfer rate and ionic conductivity may become too small.

일 구현예에서, 상기 다공성 기재(131)의 일면 또는 양면에 음전하를 띄는 작용기를 포함할 수 있으며, 예를 들어 상기 다공성 기재(131)의 표면에 음전하를 띄는 작용기를 포함할 수 있다. 상기 다공성 기재의 일면 또는 양면에 음전하를 띄는 작용기를 포함하는 경우 분리막은 우수한 이온 전도도를 가질 수 있으며, 이는 음전하 작용기가 리튬 양이온을 정전기적 인력으로 당겨 전해질과 젖음성이 향상되었기 때문이다.In one embodiment, a functional group having a negative charge may be included on one or both surfaces of the porous substrate 131 , and for example, a functional group having a negative charge on the surface of the porous substrate 131 may be included. When the porous substrate includes a negatively charged functional group on one or both sides, the separator may have excellent ionic conductivity, which is because the negatively charged functional group attracts lithium cations by electrostatic attraction and wettability with the electrolyte is improved.

또한, 다공성 기재(131)의 일면 또는 양면에 음전하를 띄는 작용기를 포함하는 경우 폴리설파이드의 투과도가 낮을 수 있으며, 이는 음전하를 띄는 작용기를 부착하는 플라즈마 처리로 인하여 분리막의 공극률이 상승될 수 있고 전해질의 젖음성이 향상되어 폴리설파이드의 투과도가 높아질 수 있는 반면, 분리막 표면의 음전하 작용기가 음이온의 폴리설파이드를 정전기적 척력으로 밀어내는 힘이 더 크게 작용하기 때문일 수 있다.In addition, when one or both surfaces of the porous substrate 131 include a negatively charged functional group, the permeability of polysulfide may be low, which may increase the porosity of the separator due to plasma treatment to attach the negatively charged functional group, and the electrolyte While the wettability of the polysulfide can be improved, the permeability of the polysulfide can be increased, while the negatively charged functional group on the surface of the separator has a greater force to push the polysulfide of the anion to the electrostatic repulsive force.

또한, 상기 다공성 기재(131)의 표면에 작용기가 부여되는 경우, 분리막 표면에 음전하 작용기가 생성되어 친수성이 부여되고 전해질과의 젖음성이 향상되어 도전재층의 저항이 낮아질 수 있다.In addition, when a functional group is provided on the surface of the porous substrate 131, a negatively charged functional group is generated on the surface of the separator to impart hydrophilicity and improve wettability with the electrolyte, thereby lowering the resistance of the conductive material layer.

일 구현예에서, 상기 음전하를 띄는 작용기는 플라즈마 처리, 예컨대 이산화탄소 플라즈마 처리되어 상기 다공성 기재의 표면에 부여된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 기재(131)의 일면 또는 양면 및 기공의 내부는 플라즈마 장치를 통하여 생성된 라디칼 이온과 화학적으로 반응하여 표면에 작용기가 부여될 수 있다. 상기 작용기는 양극활물질을 정전기적 척력의 힘으로 밀어내고, 전해질과의 젖음성을 향상시켜 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.In one embodiment, the negatively charged functional group may be applied to the surface of the porous substrate by plasma treatment, for example, carbon dioxide plasma treatment. Specifically, one or both surfaces of the porous substrate 131 and the inside of the pores may chemically react with radical ions generated through a plasma device to impart functional groups to the surface. The functional group may push the positive electrode active material by the force of electrostatic repulsion and improve ionic conductivity by improving wettability with the electrolyte.

일 구현예에서, 상기 플라즈마 처리는 직류(Direct Current, DC), 라디오파(radio frequency, RF), 글로우 방전(glow discharge), 또는 마이크로웨이브 방전을 포함하는 다양한 방법의 동력을 적용하여 수행될 수 있으며, 예를 들어 비교적 빠르고 플라즈마 생성이 쉬운 RF를 적용하여 수행될 수 있다.In one embodiment, the plasma treatment may be performed by applying power of various methods including direct current (DC), radio frequency (RF), glow discharge, or microwave discharge. And, for example, it can be performed by applying RF, which is relatively fast and easy to generate plasma.

일 구현예에서, 상기 음전하를 띄는 작용기는 하이드록실기, 아민기, 암모니아기, 및 카르복실기 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the negatively charged functional group may include at least one of a hydroxyl group, an amine group, an ammonia group, and a carboxyl group.

일 구현예에서, 상기 도전재는 다공성을 갖는 탄소계 물질로서, 상기 탄소계 물질은 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 그래파이트, 그라펜, 활성탄, 탄소섬유, 탄소중공사(hollow carbon fiber), 탄소 나노 튜브, 활성탄 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.In one embodiment, the conductive material is a carbon-based material having a porosity, and the carbon-based material is natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, graphite, graphene, activated carbon, carbon fiber, carbon hollow fiber ( hollow carbon fiber), carbon nanotubes, activated carbon, or a combination thereof.

일 구현예에서, 상기 도전재는 상기 바인더의 총 중량에 대하여 5 - 80중량%로 포함될 수 있다. 상기 도전재가 5 중량% 미만으로 포함되는 경우, 전기전도성이 너무 낮아질 수 있고, 80 중량% 초과로 포함되는 경우, 도전재층의 접착력이 낮아질 수 있다.In one embodiment, the conductive material may be included in an amount of 5 to 80% by weight based on the total weight of the binder. When the conductive material is included in less than 5% by weight, electrical conductivity may be too low, and when included in more than 80% by weight, the adhesive force of the conductive material layer may be lowered.

일 구현예에서, 상기 바인더는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴다이플로라이드(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무, 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-헥사 플로오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화비니리덴-펜타프루오로 프로필렌 공중합체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합체 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있으나 여기에 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 포함할 수 있다.In one embodiment, the binder may include a thermoplastic resin or a thermosetting resin. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene difluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-hexa Fluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoro Loethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene -Acrylic acid copolymers and mixtures thereof may be included, but not limited thereto, and may be included as long as they can be used as binders in the art.

일 구현예에서, 상기 바인더 수지는 상기 도전재 총 중량에 대하여 5 - 80중량%로 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지가 5 중량% 미만으로 포함되는 경우, 도전재의 접착력이 너무 낮아서 도전재가 분리될 수 있고, 80 중량% 초과로 포함되는 경우, 도전재층의 전기전도도가 너무 낮아질 수 있다.In one embodiment, the binder resin may be included in an amount of 5 to 80% by weight based on the total weight of the conductive material. When the binder resin is included in less than 5% by weight, the conductive material may be separated because the adhesive force of the conductive material is too low, and when it is included in more than 80% by weight, the electrical conductivity of the conductive material layer may be too low.

일 구현예에서, 상기 도전재층(132)은 0.01 - 500㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 두께가 0.01 ㎛ 미만의 경우 효과가 없어질 수 있고, 두께가 500 ㎛ 초과의 경우 물질 및 이온전달 저항이 너무 커질 수 있다.In one embodiment, the conductive material layer 132 may have a thickness of 0.01 - 500㎛. If the thickness is less than 0.01 μm, the effect may be lost, and if the thickness is more than 500 μm, the material and ion transfer resistance may be too large.

일 구현예에서, 이때, 상기 도전재층(132)은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 도전재 및 바인더를 유기 용매 상에서 혼합하여 제조한 도전재층 형성용 슬러리를 상기 다공성 기재층(131) 위에 도포 및 건조하여 제조되는 것일 수 있다. 여기서, 유기 용매, 도포방법, 및 건조방법은 양극에서와 동일한 것일 수 있다.In one embodiment, at this time, the conductive material layer 132 may be prepared according to a conventional method, and specifically, a slurry for forming a conductive material layer prepared by mixing a conductive material and a binder in an organic solvent is mixed with the porous substrate layer ( 131) may be prepared by coating and drying the above. Here, the organic solvent, the coating method, and the drying method may be the same as in the anode.

일 구현예에서, 상기 다공성 기재(131)의 일면 또는 양면에 음전하를 띄는 작용기를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 음전하를 띄는 작용기는 하이드록실기, 아민기, 암모니아기, 및 카르복실기 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, a functional group having a negative charge may be included on one or both surfaces of the porous substrate 131 . Specifically, the negatively charged functional group may include at least one of a hydroxyl group, an amine group, an ammonia group, and a carboxyl group.

일 구현예에서, 상기 도전재층(132)의 상부 일면은 플라즈마 처리되어 작용기가 부여될 수 있으며, 상기 플라즈마 처리는 다공성 기재(131)에서와 동일한 방식으로 처리되는 것일 수 있다. In one embodiment, the upper surface of the conductive material layer 132 may be plasma-treated to provide functional groups, and the plasma treatment may be processed in the same manner as in the porous substrate 131 .

상기 도전재층(132)의 표면에 작용기가 부여되는 경우 도전재층 없이 다공성 기재 표면에 작용기가 부여되는 경우보다 이온 전도도가 낮을 수 있으며, 이는 상대적으로 조밀한 도전재층이 이온투과에 대한 저항으로 작용하기 때문이다.When a functional group is provided to the surface of the conductive material layer 132, ionic conductivity may be lower than when a functional group is provided to the surface of the porous substrate without a conductive material layer, which is a relatively dense conductive material layer acting as resistance to ion permeation. Because.

본 발명의 구현예에 따른 기능성 복합 분리막(130)은 다공성 기재(131)의 일면 또는 양면에 플라즈마 처리를 통해 작용기를 부여하고, 작용기가 부여된 다공성 기재(131) 상부에 도전재층(132)을 도포한 뒤에 상부 표면에 플라즈마 처리를 통해 작용기를 부여함으로써, 양극활물질 이온의 투과 방지, 활물질의 반응성 향상, 덴드라이트 성장 억제 및 이온 전도도 향상의 효과를 가질 수 있다.The functional composite separator 130 according to an embodiment of the present invention provides a functional group to one or both surfaces of the porous substrate 131 through plasma treatment, and a conductive material layer 132 on the porous substrate 131 to which the functional group is provided. By providing a functional group through plasma treatment on the upper surface after application, it can have the effects of preventing the permeation of positive electrode active material ions, improving the reactivity of the active material, suppressing dendrite growth, and improving ionic conductivity.

특히, 다공성 기재(131)와 도전재층(132) 각 표면에 모두 작용기가 부착되는 경우, 음전하가 생성되어 리튬 양이온의 투과도가 증가되고 친수성이 향상되므로 우수한 이온 전도도 값을 가질 수 있다.In particular, when functional groups are attached to both surfaces of the porous substrate 131 and the conductive material layer 132 , a negative charge is generated to increase the permeability of lithium cations and improve hydrophilicity, so that it can have an excellent ionic conductivity value.

기능성 복합 분리막 제조방법Functional composite separator manufacturing method

본 발명에 따른 일 구현예는 다공성 기재에 반응기체 플라즈마를 처리하여 상기 다공성 기재에 음전하를 띄는 작용기를 부착하는 단계; 및 상기 다공성 기재 상에 도전재층을 적층하는 단계;를 포함하며, 상기 도전재층은 도전재 및 바인더 수지를 포함하는 것인, 기능성 복합 분리막 제조방법을 제공한다.One embodiment according to the present invention comprises the steps of attaching a functional group having a negative charge to the porous substrate by treating the reactive gas plasma to the porous substrate; and laminating a conductive material layer on the porous substrate, wherein the conductive material layer includes a conductive material and a binder resin.

일 구현예에서, 상기 제조방법은 도전재층에 반응기체 플라즈마를 처리하여 상기 다공성 기재에 음전하를 띄는 작용기를 부착하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the manufacturing method may further include; attaching a functional group having a negative charge to the porous substrate by treating the conductive material layer with reactive gas plasma.

일 구현예에서, 상기 반응기체는 Ar, He, N2, NH3, NF3, F2, O2, CO2, H2, NOx. 및 공기로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상의 기체일 수 있다. 여기서, 상기 x는 1≤x≤3일 수 있다.In one embodiment, the reactive gas is Ar, He, N 2 , NH 3 , NF 3 , F 2 , O 2 , CO 2 , H 2 , NO x . And it may be any one or more gases selected from the group consisting of air. Here, x may be 1≤x≤3.

일 구현예에서, 상기 플라즈마는 DC, RF, 또는 마이크로웨이브 동력 중 선택되는 동력을 포함할 수 있다.In one embodiment, the plasma may include a power selected from DC, RF, or microwave power.

일 구현예에서, RF 동력을 적용하여 플라즈마를 활성화할 경우에 특정 조건이 적용될 수 있으며, 예를 들어 RF의 주파수는 20kHz 내지 1GHz 범위이고, 대략 25W 내지 10,000W 범위의 동력으로 플라즈마를 활성화하며, 반응 챔버의 압력은 1mTorr 내지 10Torr 범위로 설정할 수 있다.In one embodiment, certain conditions may apply when activating the plasma by applying RF power, for example, the frequency of RF is in the range of 20 kHz to 1 GHz, and activating the plasma with power in the range of approximately 25 W to 10,000 W, The pressure of the reaction chamber can be set in the range of 1 mTorr to 10 Torr.

또한 일 구현예에서, 상기 플라즈마 처리는 상기 반응 가스가 0.1sccm (cm3/min) - 1slm (L/min)의 유속으로 혼합되고, -196℃ - 500℃ 범위의 온도에서 10s - 60min 동안 처리되는 것일 수 있다.Also in one embodiment, in the plasma treatment, the reaction gas is mixed at a flow rate of 0.1 sccm (cm 3 /min) - 1 slm (L/min), and treated at a temperature in the range of -196°C - 500°C for 10s - 60min it may be

이차 전지, 전기화학 소자, 및 전기화학 장치Secondary batteries, electrochemical devices, and electrochemical devices

본 발명에 따른 일 구현예는 기능성 복합 분리막을 포함하는 이차 전지를 제공한다. 구체적으로 상기 이차 전지는 양극, 음극, 기능성 복합 분리막, 및 전해질을 포함하며, 상기 양극(110)과 음극(120)은 서로 대향하여 배치되고, 기능성 복합 분리막 및 전해질은 상기 양극(110)과 음극(120) 사이에 위치하는 것일 수 있다.One embodiment according to the present invention provides a secondary battery including a functional composite separator. Specifically, the secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, a functional composite separator, and an electrolyte, the positive electrode 110 and the negative electrode 120 are disposed to face each other, and the functional composite separator and the electrolyte are the positive electrode 110 and the negative electrode It may be located between (120).

도 1은 본 발명에 따른 기능성 복합분리막을 장착한 이차전지를 도시하는 개략적인 모식도이다.1 is a schematic schematic view showing a secondary battery equipped with a functional composite separator according to the present invention.

일 구현예에서, 상기 양극(110)은 양극집전체(111) 및 양극활물질층(112)을 포함할 수 있으며, 상기 양극활물질층은 도전재 및 바인더 수지를 포함하고 상기 양극집전체(111) 상에 위치할 수 있다. 여기서, 상기 양극집전체(111)는 본 기술 분야에서 집전체로 사용될 수 있는 것이라면 제한되지 않고 적용 가능하고, 구체적으로 우수한 도전성을 갖는 알루미늄 필름, 니켈 필름, 발포 알루미늄, 발포 니켈 등을 사용할 수 있다.In one embodiment, the positive electrode 110 may include a positive electrode current collector 111 and a positive electrode active material layer 112, the positive electrode active material layer includes a conductive material and a binder resin, and the positive electrode current collector 111 may be located on the Here, the positive electrode current collector 111 is not limited as long as it can be used as a current collector in the present technical field and is applicable without limitation, and specifically, an aluminum film, a nickel film, foamed aluminum, foamed nickel, etc. having excellent conductivity may be used. .

일 구현예에서, 상기 양극활물질은 황 원소(elemental sulfur, S), 황 계열 화합물, 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 황 계열 화합물은 Li2Sn(n≥1); 2,5-디머캅토-1,3,4-티아디아졸(2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole), 1,3,5-트리티오시아누익산(1,3,5-trithiocyanuic acid) 등과 같은 다이설파이드 화합물, 유기 황 화합물, 및 탄소-황 폴리머((CnSx), 2≤x≤50 n≥2)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 것일 수 있다.In one embodiment, the cathode active material may include one or more selected from elemental sulfur (S), a sulfur-based compound, or a mixture thereof. For example, the sulfur-based compound is Li 2 S n (n≥1); 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole (2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole), 1,3,5-trithiocyanuic acid (1,3,5- It may be at least one selected from the group consisting of disulfide compounds such as trithiocyanuic acid), organic sulfur compounds, and carbon-sulfur polymers ((C n S x ), 2≤x≤50 n≥2).

또한, 양극활물질은 리튬의 가역적인 인터칼레이션(intercalation) 및 디인터칼레이션(deintercalation)이 가능한 화합물일 수 있다. 구체적으로, 코발트, 망간, 니켈, 알루미늄, 철, 또는 이들의 조합인 금속, 리튬과의 복합산화물 또는 복합 인산화물 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 더욱 구체적으로, 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 망간 산화물, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물, 리튬 철 인산화물, 또는 이들의 조합일 수 있다.In addition, the cathode active material may be a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium. Specifically, cobalt, manganese, nickel, aluminum, iron, or a metal that is a combination thereof may be at least one selected from a composite oxide with lithium or a composite phosphorous oxide. More specifically, it may be lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, lithium nickel cobalt aluminum oxide, lithium iron phosphate, or a combination thereof.

일 구현예에서, 상기 양극활물질층에 포함된 도전재는 도전성을 갖는 물질로서, 예를 들어 상기 금속 섬유, 금속 메쉬 등의 금속성 도전성 재료, 구리, 은, 니켈, 알루미늄 등의 금속성 분말, 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 유기도전성 재료를 포함할 수 있으나, 여기에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the conductive material included in the positive electrode active material layer is a conductive material, for example, a metallic conductive material such as the metal fiber and metal mesh, a metallic powder such as copper, silver, nickel, aluminum, or polyphenyl It may include an organic conductive material such as a lene derivative, but is not limited thereto.

일 구현예에서, 상기 양극활물질층에 포함된 도전재는 다공성을 갖는 탄소계 물질일 수 있으며, 예를 들어 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 그래파이트, 그라펜, 활성탄, 탄소섬유, 탄소 나노 튜브, 활성탄, 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있다.In one embodiment, the conductive material included in the positive electrode active material layer may be a porous carbon-based material, for example, natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, graphite, graphene, activated carbon, carbon. It may be selected from the group consisting of fibers, carbon nanotubes, activated carbon, and mixtures thereof.

일 구현예에서, 상기 양극활물질층에 포함된 도전재는 양극활물질층 총 중량에 대하여 5 - 35중량%로 포함될 수 있다. 상기 도전재의 함량이 5중량% 미만이면, 도전재 사용에 따른 도전성 향상 효과가 미미할 수 있고, 35중량% 초과이면, 양극활물질의 함량이 상대적으로 적어 전지용량이 저하될 우려가 있다.In one embodiment, the conductive material included in the positive electrode active material layer may be included in an amount of 5 to 35% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer. If the content of the conductive material is less than 5% by weight, the effect of improving conductivity according to the use of the conductive material may be insignificant.

일 구현예에서, 상기 양극활물질층에 포함된 바인더 수지는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르 에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 스티렌-부타디엔 고무, 테트라플루오르에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-헥사 플로오로프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화비니리덴-펜타프루오로 프로필렌 공중하체, 프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-아크릴산 공중합체 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술 분야에서 바인더로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다.In one embodiment, the binder resin included in the positive electrode active material layer may include a thermoplastic resin or a thermosetting resin. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoro Propylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid The copolymer and the like may be used alone or in combination, but it is not necessarily limited thereto, and any one that can be used as a binder in the art may be used.

일 구현예에서, 상기의 양극(110)은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로 양극활물질과 도전재 및 바인더를 유기 용매 상에서 혼합하여 제조한 양극 활물질층 형성용 슬러리를 집전체 위에 도포 및 건조하고, 선택적으로 전극 밀도의 향상을 위하여 양극집전체에 압축성형하여 제조한 것일 수 있다.In one embodiment, the positive electrode 110 may be manufactured according to a conventional method, and specifically, a slurry for forming a positive electrode active material layer prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder in an organic solvent is applied on the current collector. and drying, and optionally compression molding on a positive electrode current collector to improve electrode density.

일 구현예에서, 상기 유기용매는 양극활물질, 도전재 및 바인더를 균일하게 분산시킬 수 있고, 쉽게 증발하는 것으로 선택할 수 있다.In one embodiment, the organic solvent may be selected to be capable of uniformly dispersing the positive electrode active material, the conductive material, and the binder, and to evaporate easily.

구체적으로, 상기 유기용매는 N-메틸-2-피를리돈(NMP), 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 및 이소프로필알코올로 구성된 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.Specifically, the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of N-methyl-2-pyrlidone (NMP), acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water, and isopropyl alcohol.

일 구현예에서, 상기 도포는 침지코팅(dip coating), 닥터 블레이드 코팅(doctor blade coating), 스핀 코팅(spin coating), 바 코팅(bar coating), 다이 캐스팅(die casting), 슬릿 캐스팅(slit casting), 롤 코팅(roll coating), 스크린 프린팅(screen printing), 또는 잉크젯 인쇄(inkjet printing) 등의 방법에 의하여 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment, the application is dip coating, doctor blade coating, spin coating, bar coating, die casting, slit casting ), roll coating, screen printing, or inkjet printing, but is not limited thereto.

일 구현예에서, 상기 건조는 예컨대 자연 건조, 온풍, 열풍 또는 저습풍에 의한 건조, 진공 건조, 원적외선, 또는 전자선 등의 조사에 의한 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 건조 공정은 예를 들어, 25 - 200℃의 온도에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the drying may be performed by, for example, natural drying, hot air, drying by hot or low humidity, vacuum drying, far-infrared rays, or electron beam irradiation, but is not limited thereto. The drying process may be performed, for example, at a temperature of 25 - 200 °C.

일 구현예에서, 상기 음극(120)은 음극집전체(121) 및 음극활물질층(122)을 포함할 수 있으며, 상기 음극활물질층은 도전재 및 바인더 수지를 포함하고 상기 음극집전체(111) 상에 위치할 수 있다. 여기서, 상기 음극집전체(121)는 본 기술 분야에서 집전체로 사용될 수 있는 것이라면 제한 업이 적용 가능하고, 구체적으로 구리, 스테인리스스틸, 티타늄, 은, 팔라듐, 니켈, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.In one embodiment, the negative electrode 120 may include a negative electrode current collector 121 and a negative electrode active material layer 122, wherein the negative electrode active material layer includes a conductive material and a binder resin, and the negative electrode current collector 111 may be located on the Here, the negative current collector 121 is limited up to as long as it can be used as a current collector in the present technical field, and specifically, copper, stainless steel, titanium, silver, palladium, nickel, alloys thereof, and combinations thereof. It may be selected from the group consisting of.

일 구현예에서, 상기 음극활물질은 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 물질, 리튬 금속, 리튬 금속의 합금, 리튬을 도포 및 탈도포할 수 있는 물질, 전이금속 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.In one embodiment, the negative active material is a material capable of reversibly intercalating and deintercalating lithium ions, lithium metal, an alloy of lithium metal, a material capable of applying and de-coating lithium, a transition metal oxide, or a combination thereof.

상기 리튬 이온을 가역적으로 인터칼레이션 및 디인터칼레이션할 수 있는 물질로는 탄소계 물질을 들 수 있으며, 예를 들어 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 결정질 탄소는 예를 들어 무정형, 판상 (plate-shape), 인편상(flake), 구형, 또는 섬유형의 천연흑연 또는 인조흑연를 포함할 수 있다. 또한 상기 비정질 탄소는 예를 들어, 소프트 카본 또는 하드 카본, 메조페이스 피치 탄화물, 또는 소성된 코크스 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 리튬 금속의 합금은 리튬과 Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al, 및 Sn으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 혼합물 또는 합금을 포함할 수 있다.The material capable of reversibly intercalating and deintercalating the lithium ions may include a carbon-based material, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a combination thereof. The crystalline carbon may include, for example, natural or artificial graphite in amorphous, plate-shape, flake, spherical, or fibrous form. In addition, the amorphous carbon may include, for example, soft carbon or hard carbon, mesophase pitch carbide, or calcined coke. In addition, the lithium metal alloy is composed of lithium and Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al, and Sn. It may include a mixture or alloy of one or more metals selected from the group.

예를 들어, 상기 리튬을 도포 및 탈도포할 수 있는 물질은 Si, SiOx(0<x<2), Si-C 복합체, Si-Y 합금, Sn, SnO2, Sn-C 복합체, Sn-Y등을 들 수 있고, 또한 이들 중 적어도 하나와 SiO2를 혼합하여 사용할 수도 있다. 여기서, 상기 원소 Y는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po 및 이들의 조합일 수 있다.For example, the material capable of applying and de-coating the lithium is Si, SiO x (0<x<2), Si-C composite, Si-Y alloy, Sn, SnO 2 , Sn-C composite, Sn- there may be mentioned Y, etc., and may also use a mixture of at least one of these with SiO 2. Here, the element Y is Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Tl, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, and combinations thereof.

또한 예를 들어, 상기 전이금속 산화물은 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물 등을 포함할 수 있다.Also, for example, the transition metal oxide may include vanadium oxide, lithium vanadium oxide, and the like.

일 구현예에서, 상기 음극(120)은 음극활물질과 함께 선택적으로 도전재 및 바인더를 더 포함할 수 있다. 이때 음극(120)에 포함되는 도전재 및 바인더의 종류는 양극에 포함되는 도전재 및 바인더와 동일한 것일 수 있다.In one embodiment, the negative electrode 120 may further include a conductive material and a binder selectively together with the negative electrode active material. In this case, the types of the conductive material and the binder included in the negative electrode 120 may be the same as the conductive material and the binder included in the positive electrode.

일 구현예에서, 음극(120)은 통상의 방법에 따라 제조될 수 있으며, 구체적으로는 음극활물질과 도전재 및 바인더를 유기 용매 상에서 혼합하여 제조한 양극 활물질층 형성용 슬러리를 집전체 위에 도포 및 건조하고, 선택적으로 전극 밀도의 향상을 위하여 음극집전체에 압축성형하여 제조한 것일 수 있다. 여기서, 유기 용매, 도포방법, 및 건조방법은 양극에서와 동일한 것일 수 있다.In one embodiment, the negative electrode 120 may be manufactured according to a conventional method, and specifically, a slurry for forming a positive electrode active material layer prepared by mixing a negative electrode active material, a conductive material, and a binder in an organic solvent is applied on the current collector and It may be dried and optionally manufactured by compression molding on the negative electrode current collector in order to improve the electrode density. Here, the organic solvent, the coating method, and the drying method may be the same as in the anode.

일 구현예에서, 상기 기능성 복합분리막(130)은 후술하는 이차 전지에서 양극(110)과 음극(120)을 물리적으로 분리하는 기능을 할 수 있다.In one embodiment, the functional composite separator 130 may function to physically separate the positive electrode 110 and the negative electrode 120 in a secondary battery to be described later.

일 구현예에서, 상기 전해질은 A+B- 구조의 염으로서, 용매에 용해 또는 해리된 것일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+, Vx +와 같은 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함할 수 있고, B-는 TFSI-, NO3 -, PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -, Ox -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염일 수 있고, 상기 용매는 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 다이옥솔레인(DOL), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피를리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (g-부티로락톤), 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 물, 이소프로필알코올, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment, the electrolyte is a salt of the A + B - structure, and may be dissolved or dissociated in a solvent. Here, A + may include an ion consisting of a cation such as Li + , Na + , K + , V x + or a combination thereof, and B - is TFSI - , NO 3 - , 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 ) 3 - , O x may be a salt containing an anion or an ion consisting of a combination thereof, and the solvent is carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), dipropyl carbonate (DPC), dioxolane (DOL), dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrlidone (NMP), ethylmethyl carbonate (EMC), gamma butyrolactone (g-butyrolactone), acetonitrile, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, water, isopropyl alcohol, or mixtures thereof.

일 구현예에서, 상기 전해질 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.In one embodiment, the electrolyte injection may be performed at an appropriate stage in the battery manufacturing process according to the manufacturing process and required physical properties of the final product. That is, it may be applied before assembling the battery or in the final stage of assembling the battery.

또한, 본 발명에 따른 일 구현예는 기능성 복합 분리막을 포함하는 를 제공한다. 상기 전기화학 소자 및 전기화학 장치는 당 분야에 공지된 일반적인 방법을 이용하여 제조될 수 있으며, 그 형태는 특별히 제한되지 않는다.In addition, one embodiment according to the present invention provides a functional composite separator comprising a. The electrochemical device and the electrochemical device may be manufactured using a general method known in the art, and the form is not particularly limited.

상기 리튬 이차 전지, 예컨대 리튬-황 이차 전지는 전류 효율, 에너지 효율, 내구성, 전기용량 유지율(capacity retention rate)과 같은 전지 특성이 월등히 우수할 수 있다. 또한, 상기의 기능성 복합 분리막은 산성과 염기성 전해질을 사용하는 다양한 전기화학 소자 및 전기화학 장치에 적용되어 우수한 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 전기화학 장치로는 연료전지, 전기분해장치, 레독스플로우전지 등이 포함될 수 있다. The lithium secondary battery, for example, a lithium-sulfur secondary battery, may have excellent battery characteristics such as current efficiency, energy efficiency, durability, and capacity retention rate. In addition, the functional composite separator can be applied to various electrochemical devices and electrochemical devices using acidic and basic electrolytes to improve excellent performance and lifespan. For example, the electrochemical device may include a fuel cell, an electrolysis device, a redox flow battery, and the like.

이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effect of the present invention will be described in more detail by way of examples. However, these examples are provided for the purpose of illustration only to help the understanding of the present invention, and the scope and scope of the present invention are not limited by the following examples.

[기능성 복합 분리막의 제조][Production of functional composite separator]

[비교예 1][Comparative Example 1]

다공성 기재(단순 분리막)으로서 순수한 폴리프로필렌/폴리에틸렌/ 폴리프로필렌의 삼층 구조를 갖는 다층 다공성 기재(단순 분리막)를 준비하였다(두께 21μm, 공극률 39%).As a porous substrate (simple separation membrane), a multilayer porous substrate (simple separation membrane) having a three-layer structure of pure polypropylene/polyethylene/polypropylene was prepared (thickness 21 μm, porosity 39%).

[비교예 2][Comparative Example 2]

비교예 1의 다공성 기재 상에 도전재층을 도포하여 제조하였다. 여기서, 도전재층 형성을 위한 슬러리는 도전재 카본 블랙(Super P), 케첸블랙, 및 바인더 폴리불화비닐리덴(PVDF)를 N-메틸-2-피를리돈(NMP) 유기용매에 25:25:50의 질량비로 혼합하여 제조한 것을 사용하였다. 그런 뒤, 닥터블레이드 장비를 이용하여 다공성 기재의 일 면에 제조된 슬러리를 약 10μm 두께로 도포하였고, 건조기를 이용하여 40℃에서 12시간 동안 건조하여 기능성 복합 분리막(단순 복합 분리막)을 제조하였다. It was prepared by coating a conductive material layer on the porous substrate of Comparative Example 1. Here, the slurry for forming the conductive material layer is 25:25: conductive material carbon black (Super P), Ketjen black, and binder polyvinylidene fluoride (PVDF) in N-methyl-2-pyrlidone (NMP) organic solvent: What was prepared by mixing in a mass ratio of 50 was used. Then, the prepared slurry was applied to one side of the porous substrate to a thickness of about 10 μm using a doctor blade equipment, and dried at 40° C. for 12 hours using a dryer to prepare a functional composite separator (simple composite separator).

[실시예 1][Example 1]

비교예 1의 다공성 기재의 양면에 이산화탄소 플라즈마를 조사하여 다공성 기재의 외부 표면 또는 기공 내부의 표면에 음전하의 하이드록실기와 카르복실기 작용기가 생성되도록 하였다. 상온에서 80W의 동력으로 RF 플라즈마를 생성시켰으며, RF 주파수는 50kHz를 유지하였다. 반응 챔버에 CO2 반응 가스를 50sccm 유속으로 도입하여 반응 챔버의 압력을 0.5Torr로 유지한 상태에서 플라즈마를 생성시켜 다공성 기재를 8분 동안 처리하여 기능성 복합 분리막(플라즈마 처리한 기능성 분리막)을 제조하였다.Carbon dioxide plasma was irradiated to both surfaces of the porous substrate of Comparative Example 1 to generate negatively charged hydroxyl and carboxyl functional groups on the outer surface of the porous substrate or the surface of the pore interior. RF plasma was generated with a power of 80W at room temperature, and the RF frequency was maintained at 50kHz. CO 2 reaction gas was introduced into the reaction chamber at a flow rate of 50 sccm to generate plasma while maintaining the pressure of the reaction chamber at 0.5 Torr, and the porous substrate was treated for 8 minutes to prepare a functional composite separator (plasma-treated functional separator) .

[실시예 2][Example 2]

순수 다공성 기재 위에 도전재 층을 도포하여 만든 복합 분리막을 플라즈마로 처리하여 기능성 복합 분리막을 제조하였다. A composite separator made by applying a conductive material layer on a pure porous substrate was treated with plasma to prepare a functional composite separator.

구체적으로, 비교예 2의 기능성 복합 분리막(단순 복합 분리막)의 도전재 층을 이산화탄소 플라즈마로 처리하여 음전하를 띄는 하이드록실기와 카르복실기 작용기를 부여하였다. 여기서, 플라즈마를 30초 동안 처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 플라즈마 처리 조건으로 도전재층을 플라즈마로 처리하였다.Specifically, the conductive material layer of the functional composite separator (simple composite separator) of Comparative Example 2 was treated with carbon dioxide plasma to give a negatively charged hydroxyl group and a carboxyl group functional group. Here, the conductive material layer was treated with plasma under the same plasma treatment conditions as in Example 1, except that the plasma was treated for 30 seconds.

[실시예 3][Example 3]

플라즈마로 처리된 다공성 기재 위에 탄소 도전재 층을 도포한 뒤, 이것을 다시 플라즈마로 처리하여 기능성 복합분리막을 제조하였다. After applying a carbon conductive material layer on the plasma-treated porous substrate, this was again treated with plasma to prepare a functional composite separator.

구체적으로, 실시예 1의 기능성 복합 분리막의 일면에 비교예 2와 동일한 방법으로 도전재층을 도포하였다. 그런 뒤, 형성된 도전재층의 상부 표면에 실시예 2와 동일한 플라즈마 처리 조건으로 도전재층을 이산화탄소 플라즈마 처리하여 기능성 복합 분리막을 제조하였다.Specifically, a conductive material layer was applied to one surface of the functional composite separator of Example 1 in the same manner as in Comparative Example 2. Then, the conductive material layer was treated with carbon dioxide plasma on the upper surface of the formed conductive material layer under the same plasma treatment conditions as in Example 2 to prepare a functional composite separator.

[평가예 1] 다공성기재(분리막)의 형태 및 구조 분석[Evaluation Example 1] Analysis of the shape and structure of a porous substrate (separation membrane)

도 2a는 본 발명의 비교예 1의 다공성기재(분리막)의 표면을 나타낸 SEM 이미지이며, 도 2b는 본 발명의 실시예 1의 분리막 표면을 나타낸 SEM 이미지이다. 이에 따르면 플라즈마 처리에 의해 다공성 기재의 공극률이 약간 증가한 것을 확인할 수 있다. 도 2c는 실시예 3의 분리막 도전재층 표면을 나타낸 SEM 이미지이다. 이를 통해 카본 블랙, 케첸블랙의 나노입자들이 다공성 기재 표면에 고르게 도포된 것을 확인할 수 있다. 도 2d는 실시예 3의 분리막 단면을 나타낸 SEM 이미지이다. 이를 통해 실시예 3의 도전재층이 약 10μm 두께로 도포된 것을 확인할 수 있다.Figure 2a is an SEM image showing the surface of the porous substrate (separator) of Comparative Example 1 of the present invention, Figure 2b is an SEM image showing the surface of the separator of Example 1 of the present invention. According to this, it can be confirmed that the porosity of the porous substrate slightly increased by the plasma treatment. FIG. 2c is an SEM image showing the surface of the conductive material layer of the separator of Example 3. FIG. Through this, it can be confirmed that the nanoparticles of carbon black and ketjen black are evenly applied to the surface of the porous substrate. Figure 2d is an SEM image showing a cross section of the separator of Example 3. Through this, it can be confirmed that the conductive material layer of Example 3 was applied to a thickness of about 10 μm.

[평가예 2] 다공성기재(분리막) 특성 분석[Evaluation Example 2] Characteristics analysis of porous substrate (separator)

도 3은 본 발명의 비교예 1과 실시예 1의 분리막 표면을 퓨리에변환 적외선분광 분석기 (FT-IR spectrometer(NICOLET iS10, Thermo Scientific)을 이용하여 표면 특성을 분석한 결과이다. 이에 따르면 비교예 1과 비교하여 보면, 실시예 1 분리막의 경우 주파수 1255cm-1의 위치에 (C-O-C) 에테르를 나타내는 피크, 1600-1750cm-1에 카르복실산을 나타내는 피크 및 3580-3750cm-1에 하이드록실기를 나타내는 새로운 피크들이 생성되었다. 이를 통하여 음전하의 카르복실기 및 하이드록실기가 분리막 표면에 생성된 것을 확인할 수 있었다.3 is a result of analyzing the surface characteristics of the separator surfaces of Comparative Example 1 and Example 1 of the present invention using a Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR spectrometer (NICOLET iS10, Thermo Scientific). According to this, Comparative Example 1 In comparison with , in the case of the separation membrane of Example 1, a peak representing (COC) ether at a frequency of 1255 cm -1 , a peak representing carboxylic acid at 1600-1750 cm -1 , and a hydroxyl group at 3580-3750 cm -1 New peaks were generated, and it was confirmed that negatively charged carboxyl groups and hydroxyl groups were generated on the surface of the separator.

도 4는 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막 표면의 XPS 스펙트럼을 나타낸다. 도 4a-d는 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막 표면의 넓은 결합에너지 범위에 대한 XPS 스펙트럼이며, 도 4e-h는 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막 표면의 C 1s에 해당하는 좁은 결합에너지 범위에 대한 디콘볼루션 XPS 스펙트럼 결과이다. 도 4a, 도 4b, 도 4e, 도 4f에 의하면 비교예 1과 비교하여 실시예 1에서 288.83eV에 해당하는 C-O 및 290.58eV에 해당하는 O=C-O 피크들이 새롭게 생성되었다. 이를 통하여 음전하의 카르복실기 및 하이드록실기가 분리막 표면에 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 4c, 도 4d, 도 4f, 도 4h에 의하면 비교예 2와 비교하여 실시예 2, 실시예 3에서 288.83eV에 해당하는 C-O 및 290.58eV에 해당하는 O=C-O 피크들이 새롭게 생성되었다. 이를 통하여 음전하의 카르복실기 및 하이드록실기가 도전재층 표면에 생성된 것을 확인할 수 있었다. 상기 XPS 분석 결과를 표 1에 더 자세히 나타내었다.4 shows the XPS spectrum of the surface of the separator according to the overall comparative examples and examples of the present invention. Figures 4a-d are XPS spectra for a wide range of binding energy on the surface of the separator according to the entire Comparative Examples and Examples, and Figures 4e-h are the narrow binding energy corresponding to C 1s of the surface of the separator according to the entire Comparative Examples and Examples. Deconvolution XPS spectral results for the range. According to FIGS. 4A, 4B, 4E, and 4F, C-O corresponding to 288.83 eV and O=C-O peaks corresponding to 290.58 eV were newly generated in Example 1 compared to Comparative Example 1. Through this, it was confirmed that negatively charged carboxyl groups and hydroxyl groups were generated on the surface of the separator. In addition, according to FIGS. 4c, 4d, 4f, and 4h, compared to Comparative Example 2, C-O corresponding to 288.83 eV and O=C-O peak corresponding to 290.58 eV in Example 2 and Example 3 were newly generated. Through this, it was confirmed that negatively charged carboxyl groups and hydroxyl groups were generated on the surface of the conductive material layer. The XPS analysis results are shown in more detail in Table 1.

분리막separator C=C sp2
(At. %)
C=C sp 2
(At. %)
C-C sp3
(At. %)
CC sp 3
(At. %)
C-O
(At. %)
CO
(At. %)
O=C-O
(At. %)
O=CO
(At. %)
C-F
(At. %)
CF
(At. %)
C-F
(At. %)
CF
(At. %)
비교예 1Comparative Example 1 3.743.74 96.2696.26 -- -- -- -- 실시예 1Example 1 9.519.51 85.5985.59 3.403.40 1.501.50 -- -- 비교예 2Comparative Example 2 63.5163.51 18.5018.50 4.744.74 2.222.22 10.0310.03 1.001.00 실시예2, 실시예 3Example 2, Example 3 61.3961.39 20.5720.57 5.595.59 2.672.67 8.968.96 0.820.82

[평가예 3] 접촉각(Contact angle) 측정[Evaluation Example 3] Contact angle measurement

도 5는 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막 표면의 젖음성 측정결과 이미지를 나타낸다. 도 5a는 물에 대한 비교예 1(다공성기재)의 접촉각이며, 도 5b는 전해질에 대한 비교예 1(다공성기재)의 접촉각이며, 도 5c는 물에 대한 실시예 1 기능성 복합분리막의 접촉각이며, 도 5d는 전해질에 대한 실시예 1 기능성복합분리막의 접촉각이며, 도 5e는 물에 대한 비교예 2의 접촉각이며, 도 5f는 물에 대한 실시예 2, 실시예 3의 접촉각이다. 도 5a-d에 의하면 비교예 1과 비교하여 실시예 1에서 분리막 표면에 음전하 작용기의 생성으로 친수성이 부여되어 물과 전해질에 대한 젖음성이 향상하여 접촉각이 감소한 것을 확인할 수 있다. 도 5e-f에 의하면 비교예 2와 비교하여 실시예 2, 실시예 3에서 도전재층 표면에 음전하 작용기 생성으로 친수성이 부여되어 물에 대한 젖음성이 항상하여 접촉각이 감소한 것을 확인할 수 있다. 도전재층의 전해질에 대한 접촉각은 비교예 2와 실시예 2, 실시예 3 모두 거의 0°에 가까워 접촉각 비교가 불가하였으나, 평가예 4, 평가예 6을 통하여 전해질에 대한 젖음성이 향상하였음을 측정 결과로부터 알 수 있었다.5 shows an image of the wettability measurement result of the surface of the separator according to all Comparative Examples and Examples of the present invention. Figure 5a is the contact angle of Comparative Example 1 (porous substrate) with respect to water, Figure 5b is the contact angle of Comparative Example 1 (porous substrate) with respect to the electrolyte, Figure 5c is the contact angle of the functional composite separator of Example 1 with respect to water, 5D is the contact angle of the functional composite separator of Example 1 with respect to the electrolyte, FIG. 5E is the contact angle of Comparative Example 2 with respect to water, and FIG. 5F is the contact angle of Examples 2 and 3 with respect to water. According to FIGS. 5a-d, it can be confirmed that, compared to Comparative Example 1, in Example 1, hydrophilicity is imparted to the surface of the separator by the generation of negatively charged functional groups, so that wettability with water and electrolyte is improved, thereby reducing the contact angle. According to FIGS. 5E-F , it can be confirmed that in Examples 2 and 3, compared with Comparative Example 2, hydrophilicity is imparted to the surface of the conductive material layer due to the generation of negatively charged functional groups, so that wettability to water is always maintained, thereby reducing the contact angle. The contact angle of the conductive material layer with respect to the electrolyte was almost 0° in Comparative Example 2, Example 2, and Example 3, which made it impossible to compare the contact angle. was known from

[평가예 4] 이온 전도도(Ion conductivity) 측정[Evaluation Example 4] Ion conductivity measurement

도 6은 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 다양한 분리막의 리튬 이온 전도도를 나타내는 그래프이다. 정확한 이온 전도도 수치는 표 2에 나타내었다. 6 is a graph showing the lithium ion conductivity of various separators according to all Comparative Examples and Examples of the present invention. Exact ionic conductivity values are shown in Table 2.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 이온 전도도(mScm-1)Ion Conductivity (mScm -1 ) 0.340.34 0.190.19 0.300.30 0.270.27 0.150.15 활물질 투과도(molcm-2s-1)Active material permeability (molcm -2 s -1 ) 1.07×10-8 1.07×10 -8 1.72×10-9 1.72×10 -9 1.74×10-10 1.74×10 -10 1.13×10-8 1.13×10 -8 1.74×10-9 1.74×10 -9 초기용량 QH(mAhg-1)Initial capacity Q H (mAhg -1 ) 260.51260.51 312.26312.26 379.63379.63 251.58251.58 292.01292.01 초기용량 QL(mAhg-1)Initial capacity Q L (mAhg -1 ) 543.01543.01 676.62676.62 824.84824.84 517.22517.22 610.64610.64

도 6과 표 2에 의하면 실시예 1이 비교예 1 대비 이온 전도도가 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 분리막 표면에 음전하 작용기가 생성되어 리튬 양이온의 투과도가 향상되고, 또한 친수성이 증가되어 전해질과의 젖음성이 향상되었기 때문이다. 마찬가지로 도 6과 표 2에 의하면 실시예 2(기능성 복합분리막)이 비교예 2(단순 복합분리막)보다 더 높은 이온 전도도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 도전재층 표면에 생성된 음전하 작용기가 리튬 양이온을 정전기적 인력으로 당기고, 도전재 층의 친수성이 증가되어 전해질과 젖음성이 향상되었기 때문이다. 반면에, 비교예 2와 실시예 2와 같이 분리막의 표면에 탄소층이 형성된 경우가 비교예 1과 실시예 1과 같이 단순히 다공성 기재만을 사용한 경우 보다 이온 전도도가 낮은 이유는 조밀한 도전재층이 이온투과에 대한 저항으로 작용하였기 때문이다. 하지만 도 6과 표 2에 의하면 실시예 3의 기능성복합막(2)는 다공성 기재와 도전재층 각 표면에 음전하가 생성되어 리튬 양이온의 투과도는 증가시키고 및 친수성이 향상되므로서, 실시예 1보다는 낮지만 비교예 1보다는 높은 이온 전도도 값을 나타냈다.6 and Table 2, it can be seen that Example 1 has improved ionic conductivity compared to Comparative Example 1. This is because negatively charged functional groups are generated on the surface of the separator to improve the permeability of lithium cations, and the hydrophilicity is increased to improve wettability with the electrolyte. Similarly, according to FIG. 6 and Table 2, it can be confirmed that Example 2 (functional composite membrane) has higher ionic conductivity than Comparative Example 2 (simple composite membrane). This is because the negatively charged functional group generated on the surface of the conductive material layer attracts lithium cations by electrostatic attraction, and the hydrophilicity of the conductive material layer is increased, so that the electrolyte and wettability are improved. On the other hand, as in Comparative Examples 2 and 2, when the carbon layer was formed on the surface of the separator, the ionic conductivity was lower than when only the porous substrate was used as in Comparative Examples 1 and 1, because the dense conductive material layer had ions. This is because it acts as a resistance to penetration. However, according to Figure 6 and Table 2, in the functional composite membrane 2 of Example 3, negative charges are generated on each surface of the porous substrate and the conductive material layer, so that the permeability of lithium cations is increased and the hydrophilicity is improved. However, it exhibited a higher ionic conductivity value than Comparative Example 1.

[평가예 5] 폴리설파이드 투과도(Permeability) 측정[Evaluation Example 5] Polysulfide Permeability Measurement

도 7은 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막의 이온성 활물질(폴리설파이드)의 투과도를 나타내는 그래프이다. 폴리설파이드의 투과도를 나타내는 수치는 표 2에 나타내었다. 도 7과 표 2에 의하면 실시예 1이 비교예 1 보다 폴리설파이드의 투과도가 낮았다. 이는 평가예 1에서 플라즈마 처리로 인한 분리막의 공극률 상승으로 전해질의 젖음성이 향상되어 폴리설파이드의 투과도가 높아질 수 있으나, 분리막 표면의 음전하 작용기가 음이온의 폴리설파이드를 정전기적 척력으로 밀어내는 힘이 더 크게 작용했기 때문이다. 마찬가지로 다공성 기재에 도전재층이 도포된 실시예 2와 비교예 2를 비교했을 때, 실시예 2가 비교예 2 보다 폴리설파이드 투과도가 낮았다. 이는 플라즈마에 의해 도전재층 표면에 생성된 음전하 작용기가 음이온 폴리설파이드를 정전기적 척력으로 밀어내는 힘이 작용했기 때문이다. 실시예 3은 폴리설파이드 투과도가 가장 낮은 값을 보였으며, 이는 분리막과 도전재층에 각각 생성된 음전하 작용기가 음이온성 폴리설파이드의 투과를 방해하였기 때문이다. 7 is a graph showing the permeability of the ionic active material (polysulfide) of the separation membrane according to all Comparative Examples and Examples of the present invention. The numerical values indicating the permeability of polysulfide are shown in Table 2. 7 and Table 2, Example 1 had a lower polysulfide transmittance than Comparative Example 1. This is because in Evaluation Example 1, the wettability of the electrolyte is improved due to the increase in the porosity of the separator due to plasma treatment, and the permeability of polysulfide may be increased. because it worked. Similarly, when comparing Example 2 and Comparative Example 2 in which a conductive material layer was applied to a porous substrate, Example 2 had lower polysulfide permeability than Comparative Example 2. This is because the negatively charged functional group generated on the surface of the conductive material layer by plasma exerted a force to push the anion polysulfide by electrostatic repulsion. Example 3 showed the lowest polysulfide permeability value, because negatively charged functional groups generated in the separation membrane and the conductive material layer, respectively, prevented the permeation of the anionic polysulfide.

[기능성 복합 분리막을 포함하는 리튬-황 전지의 제조][Production of Lithium-Sulfur Battery Containing Functional Composite Separator]

양극 및 음극과 비교예 1-2와 실시예 1-3의 분리막을 각각 조립하여 코인셀을 제조하였다. 여기서, 분리막 외에 리튬-황 전지의 제조에 사용한 양극, 음극, 및 전해질은 아래와 같이 준비하여 사용하였다.A coin cell was prepared by assembling the positive electrode and the negative electrode, and the separators of Comparative Examples 1-2 and 1-3, respectively. Here, in addition to the separator, the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte used in the manufacture of the lithium-sulfur battery were prepared and used as follows.

양극의 제조Preparation of anode

양극 활물질로는 황 원소(elemental sulfur, S), 도전재로는 카본블랙과 케첸블랙, 바인더로 폴리불화비닐리덴(PVDF), 유기용매로 N-메틸-2-피를리돈(NMP)를 사용하여 (질량비 60:30:10)의 조성비로 슬러리를 제조한 후 20μm 두께의 알루미늄 집전체 위에 코팅하였다. 이를 건조 후 압착하여 양극판을 제조하였다.Elemental sulfur (S) is used as a cathode active material, carbon black and Ketjen black are used as conductive materials, polyvinylidene fluoride (PVDF) is used as a binder, and N-methyl-2-pyrlidone (NMP) is used as an organic solvent. to prepare a slurry with a composition ratio of (mass ratio: 60:30:10), and then coated on an aluminum current collector having a thickness of 20 μm. This was dried and pressed to prepare a positive electrode plate.

음극의 제조Preparation of the cathode

음극 활물질로는 산화되지 않은 리튬 금속을 사용하였고, 이를 두께 825μm의 니켈 집전체 위에 압착성형하여 음극판을 제조하였다.Non-oxidized lithium metal was used as the negative electrode active material, and the negative electrode plate was manufactured by compression molding on a nickel current collector having a thickness of 825 μm.

전해질의 제조Preparation of electrolytes

다이옥솔레인(DOL)과 디메톡시에탄(DME) 1:1(부피비) 혼합 용액에 1M의 LiTFSI와 0.1M의 LiNO3 리튬염을 용해해 제조하였다. It was prepared by dissolving 1M LiTFSI and 0.1M LiNO 3 lithium salt in a 1:1 (volume ratio) mixed solution of dioxolane (DOL) and dimethoxyethane (DME).

이하, 각 실시예 또는 비교예를 적용한 전지셀을 이용하여 성능 특성을 평가하였다. Hereinafter, performance characteristics were evaluated using the battery cells to which each Example or Comparative Example was applied.

[평가예 6] 전기화학 임피던스(electrochemical impedance spectroscopy) 측정[Evaluation Example 6] Measurement of electrochemical impedance spectroscopy

도 8은 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막의 전기화학 임피던스를 나타내는 그래프이다. 정확한 임피던스 측정 수치는 표 3에 나타내었다. 8 is a graph showing the electrochemical impedance of separators according to all Comparative Examples and Examples of the present invention. The exact impedance measurement values are shown in Table 3.

분리막separator Re(Ω)R e (Ω) Rf(Ω)R f (Ω) Rct(Ω)R ct (Ω) 비교예 1Comparative Example 1 8.328.32 -- 73.1873.18 실시예 1Example 1 7.107.10 -- 70.3370.33 비교예 2Comparative Example 2 12.3112.31 9.559.55 4.874.87 실시예 2Example 2 12.8112.81 9.429.42 6.686.68 실시예 3Example 3 10.2610.26 8.018.01 2.952.95

표 3의 Re는 높은 주파수 영역대에서의 x축 절편의 값이며, 이는 분리막의 저항을 나타낸다. 표 3의 Rf는 중간 주파수 영역대에서 나타나는 반원의 지름값이며, 이는 양극 표면에 접촉하는 도전재층의 저항을 나타낸다. 표 3의 Rct는 낮은 주파수 영역대에서 나타나는 반원의 지름값이며, 이는 활물질의 전하 전달 저항을 나타낸다. 도 8과 표 3에 의하면 실시예 1의 Re와 Rct 저항이 비교예 1보다 낮게 측정되었다. 이는 분리막 표면의 음전하 작용기 생성으로 친수성이 부여되어 전해질과의 젖음성 향상으로 나타난 결과이다. 도전재층이 도포된 비교예 2, 실시예2 및 실시예 3은 비교예 1, 실시예 1에 비하여 Re 저항이 증가하였는데, 이는 조밀한 도전재층이 높은 공극률의 다공성 기재 표면에 도포되어 기공을 막아 전해질과의 습윤을 방해하여 분리막의 저항이 상승했기 때문이다. 하지만, 도전채층이 도포된 분리막들은 도전채층이 도포되지 않은 분리막들보다 Rct 저항이 훨씬 낮았다. 이는 도전재층이 낮은 반응성의 황 활물질의 전하 전달을 쉽게 도와주어 전하 전달 저항을 현저하게 낮추었기 때문이다. 실시예 2는 비교예 2보다 Rct는 높고 Rf는 낮게 측정되었는데, 이는 플라즈마 처리로 인하여 도전재층의 sp2 결합이 깨지고 하이드록실기와 카르복실기의 음전하 작용기 생성에 의한 전도성 감소로 Rct 저항이 증가하였지만, 음전하 작용기가 전해질과의 젖음성을 향상해 도전재층의 전해질에 대한 저항이 감소하였기 때문이다. 비록 실시예 2의 Rct가 비교예 2 대비 약간 증가하였지만 비교예 1과 실시예 1보다 현저하게 낮아져 분리막의 전체 저항이 매우 작으므로 비교예 1과 실시예 1 대비 훨씬 고성능의 분리막이라 할 수 있다. 실시예 3의 경우 다공성 기재와 도전재층 각 표면 음전하 작용기가 젖음성을 증가시켜 이온 전도도가 향상되어 Re, Rf, Rct 저항 모두 낮은 값을 보였다.R e in Table 3 is the value of the x-axis intercept of the high frequency region for which represents the resistance of the separation membrane. R f in Table 3 is the diameter value of a semicircle appearing in the intermediate frequency band, and represents the resistance of the conductive material layer in contact with the surface of the anode. R ct in Table 3 is a diameter value of a semicircle appearing in a low frequency band, and represents the charge transfer resistance of the active material. According to Fig. 8 and Table 3 in Example 1 of R e and R ct resistance it was lower than in Comparative Example 1. This is a result of improved wettability with electrolytes due to the formation of negatively charged functional groups on the surface of the separator to impart hydrophilicity. The conductive material layer is applied in Comparative Example 2, Example 2 and Example 3 is Comparative Example 1, the embodiment is R e resist were increased compared to Example 1, which is applied to the porous substrate surface with a high dense conductive material layer porosity the pores This is because the resistance of the separator increased by preventing wetting with the electrolyte. However, the separators to which the conductive layer was applied had much lower R ct resistance than the separators to which the conductive layer was not applied. This is because the conductive material layer easily helps the charge transfer of the low reactive sulfur active material to significantly lower the charge transfer resistance. In Example 2, R ct was higher and R f was measured lower than in Comparative Example 2, which is that the sp 2 bond of the conductive material layer is broken due to plasma treatment and the R ct resistance is decreased due to the decrease in conductivity due to the generation of negatively charged functional groups of the hydroxyl and carboxyl groups. However, this is because the negatively charged functional group improved wettability with the electrolyte and the resistance of the conductive material layer to the electrolyte decreased. Although R ct of Example 2 increased slightly compared to Comparative Example 2, it was significantly lower than Comparative Examples 1 and 1, and the overall resistance of the separator was very small, so it can be said that it is a much higher performance separator compared to Comparative Example 1 and Example 1. . In the case of Example 3, the negatively charged functional groups on the surfaces of the porous substrate and the conductive material layer increased the wettability, and the ionic conductivity was improved, so that the Re , R f , and R ct resistances all showed low values.

[평가예 7] 순환 전압-전류(Cyclic voltammetry) 분석[Evaluation Example 7] Cyclic voltammetry analysis

도 9는 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막의 순환 전압-전류 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 순환 전압-전류 분석은 상온에서 1.7V와 2.8V 사이의 전압 범위를 0.1mV s-1의 주사 속도로 전압을 바꿔가며 전류를 측정하였다. 자세한 분석 결과 수치는 표 4에 나타내었다. 9 is a graph showing cyclic voltage-current analysis results of separators according to all comparative examples and examples of the present invention. Cyclic voltage-current analysis measured the current by changing the voltage at a scan rate of 0.1mV s -1 in a voltage range between 1.7V and 2.8V at room temperature. The detailed analysis results are shown in Table 4.

분리막separator E1pa & E2pa E1 pa & E2 pa E1pc & E2pc E1 pc & E2 pc Peak separation
(E1pa ~ E2pc)
Peak separation
(E1 pa ~ E2 pc )
비교예 1Comparative Example 1 2.42 & 2.522.42 & 2.52 2.25 & 1.982.25 & 1.98 0.440.44 실시예 1Example 1 2.38 & 2.492.38 & 2.49 2.26 & 1.992.26 & 1.99 0.390.39 비교예 2Comparative Example 2 2.37 & 2.452.37 & 2.45 2.30 & 1.972.30 & 1.97 0.400.40 실시예 2Example 2 2.34 & 2.412.34 & 2.41 2.31 & 1.982.31 & 1.98 0.360.36 실시예 3Example 3 2.34 & 2.422.34 & 2.42 2.32 & 1.992.32 & 1.99 0.350.35

도 9와 표 4에 의하면 실시예 1이 비교예 1 대비 환원 피크와 산화 피크 사이의 전압 범위 간격이 좁게 측정되었다. 이는 분리막 표면의 음전하 작용기가 음이온성 폴리설파이드를 정전기적 척력으로 밀어내어 음극의 오염 방지로 가역성이 증가했기 때문이다. 마찬가지로 다공성 기재에 도전재층이 도포된 실시예 2와 비교예 2를 비교했을 때, 실시예 2가 비교예 2 보다 환원 피크와 산화 피크 사이의 전압 범위 간격이 좁게 측정되었다. 이는 도전채층 표면에 생성된 작용기가 음이온성 폴리설파이드를 정전기적 척력으로 밀어내어 음극의 오염 방지로 가역성이 증가했기 때문이다. 실시예 3은 가장 환원 피크와 산화 피크 사이의 전압 범위 간격이 좁게 측정되었으며, 이는 분리막과 도전재층 각 표면 음전하 작용기와 음이온성 폴리설파이드 간에 이중으로 정전기적 척력이 발생하여 폴리설파이드를 밀어냈기 때문이다.According to FIG. 9 and Table 4, Example 1 was measured to have a narrow voltage range interval between the reduction peak and the oxidation peak compared to Comparative Example 1. This is because the negatively charged functional group on the surface of the separator pushes the anionic polysulfide by electrostatic repulsion, and the reversibility is increased by preventing contamination of the negative electrode. Similarly, when comparing Example 2 and Comparative Example 2 in which a conductive material layer was applied to a porous substrate, Example 2 was measured to have a narrower voltage range interval between the reduction peak and the oxidation peak than Comparative Example 2. This is because the functional groups created on the surface of the conductive color layer push the anionic polysulfide by electrostatic repulsion, and the reversibility is increased by preventing contamination of the negative electrode. In Example 3, the voltage range interval between the reduction peak and the oxidation peak was measured to be narrow, which is because a double electrostatic repulsive force was generated between the negatively charged functional group on the surface of the separator and the conductive material layer and the anionic polysulfide to repel the polysulfide. .

[평가예 8] 초기 용량(Initial capacity) 측정[Evaluation Example 8] Initial capacity measurement

도 10은 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막의 초기 용량 결과를 나타내는 그래프이다. 초기용량은 상온에서 2.8V에서 1.6V로 0.2C-rate의 전류 밀도에서 방전시키며 측정하였다. 자세한 측정 결과 수치는 표 2에 나타내었다. 도 10의 QH는 황 원소(elemental sulfur, S)가 긴 사슬의 리튬 폴리설파이드(Li2Sn, 4 < n ≤ 8)로 환원될 때 발현되는 용량이며, QL은 긴 사슬의 리튬 폴리설파이드가 리튬 설파이드(Li2S2/Li2S) 로 환원될 때 발현되는 용량이다. 높은 QH, QL 값은 활물질의 효과적인 투과 방지와 활물질의 반응성 향상을 나타낸다. 도 10과 표 2에 의하면 실시예 1이 비교예 1 대비 초기용량이 높았다. 이는 분리막 표면의 음전하 작용기가 음이온성 폴리설파이드를 정전기적 척력으로 밀어내는 힘이 작용하여 폴리설파이드의 투과 현상이 방지되었기 때문이다. 다공성 기재에 도전재층이 도포된 비교예 2, 실시예 2 및 실시예 3은 비교예 1, 실시예 1과 비교했을 때 초기용량이 크게 올랐는데, 이는 도전재층이 폴리설파이드의 전하 전달 반응을 쉽게 도와주어 반응성이 크게 향상되었기 때문이다. 도전재층이 도포된 분리막을 비교했을 때, 실시예 2가 비교예 2 보다 초기용량이 높았다. 이는 도전재 표면의 음전하 작용기가 음이온성 폴리설파이드를 정전기적 척력으로 밀어내는 힘이 작용하여 폴리설파이드의 투과 현상이 방지되었기 때문이다. 전도성의 감소로 폴리설파이드와의 반응성이 떨어져 초기용량이 감소할 수 있었으나, 폴리설파이드의 투과 방지 효과가 더 크게 작용했기 때문에 나타난 결과이다. 실시예 3은 가장 초기용량이 높았으며, 이는 분리막과 도전재층 각 표면 음전하 작용기와 음이온성 폴리설파이드가 이중으로 정전기적 척력이 발생하여 폴리설파이드의 투과 현상을 효과적으로 방지했기 때문이다.10 is a graph showing the initial capacity results of the separation membranes according to all Comparative Examples and Examples of the present invention. The initial capacity was measured while discharging from 2.8V to 1.6V at room temperature at a current density of 0.2C-rate. Detailed measurement results are shown in Table 2. Q H in FIG. 10 is the capacity expressed when elemental sulfur (S) is reduced to long-chain lithium polysulfide (Li 2 S n , 4 < n ≤ 8), and Q L is long-chain lithium polysulfide Capacity expressed when sulfide is reduced to lithium sulfide (Li 2 S 2 /Li 2 S). High Q H , Q L values indicate effective permeation prevention of the active material and improved reactivity of the active material. According to FIG. 10 and Table 2, Example 1 had a higher initial capacity than Comparative Example 1. This is because the negatively charged functional group on the surface of the separator acts as an electrostatic repulsive force to push the anionic polysulfide, thereby preventing the polysulfide from permeating. Comparative Examples 2, 2, and 3, in which a conductive material layer was applied to a porous substrate, had a significantly increased initial capacity compared to Comparative Examples 1 and 1, which was due to the fact that the conductive material layer facilitated the charge transfer reaction of polysulfide. This is because the responsiveness has been greatly improved. When comparing the separator coated with the conductive material layer, Example 2 had a higher initial capacity than Comparative Example 2. This is because the negatively charged functional group on the surface of the conductive material exerts a force that pushes the anionic polysulfide with an electrostatic repulsive force, thereby preventing the polysulfide from penetrating. The initial capacity could be reduced due to the reduced reactivity with polysulfide due to the decrease in conductivity, but this is because the permeation prevention effect of polysulfide was greater. Example 3 had the highest initial capacity, because negatively charged functional groups and anionic polysulfide on the surfaces of the separator and conductive material layer generated double electrostatic repulsion, effectively preventing the permeation of polysulfide.

[평가예 9] 이차전지 성능 측정[Evaluation Example 9] Secondary battery performance measurement

도 11은 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막의 성능을 나타내는 그래프이다. 전지는 상온에서 1.6V와 2.8V 사이를 0.2C-rate의 전류 밀도에서 충·방전시키며 측정하였다. 도 11에 의하면 실시예 1이 비교예 1 대비 전지 성능이 향상하였으며 성능 유지율이 100회 충·방전 사이클 기준 64.8%에서 69.1%로 약 4% 증가했다. 이는 분리막 표면에 음전하 작용기 생성으로 폴리설파이드 이온의 투과 방지, 음극에서의 덴드라이트 성장 억제 및 리튬이온 전도도가 향상되었기 때문이다. 다공성 기재에 도전재층이 도포된 비교예 2, 실시예 2 및 실시예 3은 비교예 1, 실시예 1과 비교했을 때 전지 성능이 크게 올랐는데, 이는 도전재층이 활물질의 전하 전달 반응을 도와주어 반응성이 크게 향상되었으며 물리적으로 폴리설파이드를 흡착하여 투과 현상을 막아주기 때문이다. 도전재층이 도포된 분리막을 비교했을 때, 실시예 2가 비교예 2 대비 전지 성능이 향상되었으며, 성능 유지율이 100회 충·방전 사이클 기준 76.7%에서 80.7%로 약 4% 증가했다. 이는 도전채층 표면에 음전하 작용기 생성으로 활물질 이온의 투과 방지, 덴드라이트 성장 억제 및 이온 전도도가 향상하였기 때문이다. 실시예 3은 가장 전지 성능이 높았으며, 이는 분리막과 도전재층 각 표면 음전하 작용기가 음이온성 폴리설파이드의 투과를 이중으로 방지하고 덴드라이트 성장을 억제하며 이온 전도도를 향상시켰기 때문이다.11 is a graph showing the performance of the separator according to the overall comparative examples and examples of the present invention. The battery was measured while charging and discharging at a current density of 0.2C-rate between 1.6V and 2.8V at room temperature. According to FIG. 11, the battery performance of Example 1 was improved compared to Comparative Example 1, and the performance maintenance rate increased by about 4% from 64.8% to 69.1% based on 100 charge/discharge cycles. This is because the formation of negatively charged functional groups on the surface of the separator prevents permeation of polysulfide ions, suppresses dendrite growth at the anode, and improves lithium ion conductivity. Comparative Examples 2, 2, and 3, in which the conductive material layer was applied to the porous substrate, significantly increased the battery performance compared to Comparative Examples 1 and 1, which was achieved by the conductive material layer helping the charge transfer reaction of the active material. This is because the reactivity is greatly improved and the permeation phenomenon is prevented by physically adsorbing polysulfide. When the separator coated with the conductive material layer was compared, the battery performance of Example 2 was improved compared to that of Comparative Example 2, and the performance retention rate increased by about 4% from 76.7% to 80.7% based on 100 charge/discharge cycles. This is because the formation of negatively charged functional groups on the surface of the conductive color layer prevents permeation of active material ions, suppresses dendrite growth, and improves ionic conductivity. Example 3 had the highest battery performance, because negatively charged functional groups on the surfaces of the separator and conductive material layer double prevented permeation of anionic polysulfide, suppressed dendrite growth, and improved ionic conductivity.

도 12는 본 발명의 전체 비교예 및 실시예에 따른 분리막의 성능을 나타내는 그래프이다. 전지는 상온에서 1.6V와 2.8V 사이를 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2C-rate의 다양한 전류 밀도에서 충·방전시키며 측정하였다. 도 12에 의하면 실시예 1이 비교예 1 대비 전지 성능이 향상하였다. 이는 분리막 표면의 음전하 작용기가 음이온성 폴리설파이드 이온의 투과를 막아 음극의 오염을 억제하여 가역성이 증가하고, 이온 전도도가 향상되어 높은 전류 밀도에서도 활물질의 산화·환원 반응이 쉽게 이루어졌기 때문이다. 다공성 기재에 도전재층이 도포된 비교예 2, 실시예 2 및 실시예 3은 비교예 1, 실시예 1과 비교했을 때 전지 성능이 크게 올랐는데, 이는 도전재층이 활물질의 전하 전달 반응을 도와주어 반응성이 크게 향상되었으며 물리적으로 폴리설파이드를 흡착하여 투과 현상을 막아주었기 때문이다. 도전재층이 도포된 분리막을 비교했을 때, 실시예 2가 비교예 2 대비 전지 성능이 향상되었다. 이는 도전재층 표면의 음전하 작용기가 음이온성 폴리설파이드 이온의 투과를 막아 음극의 오염을 억제하여 가역성이 증가하고 이온 전도도가 향상하여 높은 전류 밀도에서도 활물질의 산화·환원 반응이 쉽게 이루어졌기 때문이다. 실시예 3은 전지 성능이 가장 높았으며, 이는 분리막과 도전재층 각 표면에 생성된 음전하 작용기가 폴리설파이드의 투과를 이중으로 방지하고 리튬이온 전도도를 향상시켰기 때문이다.12 is a graph showing the performance of the separator according to the overall comparative examples and examples of the present invention. The battery was measured by charging and discharging between 1.6V and 2.8V at room temperature at various current densities of 0.1, 0.2, 0.5, 1, and 2C-rate. According to FIG. 12, the battery performance of Example 1 was improved compared to Comparative Example 1. This is because the negatively charged functional group on the surface of the separator prevents the permeation of anionic polysulfide ions to suppress contamination of the negative electrode, thereby increasing reversibility, and improving ionic conductivity, which facilitates oxidation/reduction reactions of active materials even at high current densities. Comparative Examples 2, 2, and 3, in which the conductive material layer was applied to the porous substrate, significantly increased the battery performance compared to Comparative Examples 1 and 1, which was achieved by the conductive material layer helping the charge transfer reaction of the active material. This is because the reactivity was greatly improved and the permeation phenomenon was prevented by physically adsorbing polysulfide. When comparing the separator coated with the conductive material layer, Example 2 improved the battery performance compared to Comparative Example 2. This is because the negatively charged functional groups on the surface of the conductive material block the permeation of anionic polysulfide ions to suppress contamination of the negative electrode, thereby increasing reversibility and improving ionic conductivity, which facilitates oxidation/reduction reactions of active materials even at high current densities. Example 3 had the highest battery performance, because negatively charged functional groups generated on each surface of the separator and the conductive material layer double prevented permeation of polysulfide and improved lithium ion conductivity.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention as long as they are apparent to those of ordinary skill in the art.

Claims (17)

다공성 기재; 및
상기 다공성 기재 상에 적층된 도전재층;을 포함하며,
상기 도전재층은 다공성을 갖는 탄소계 물질인 도전재 및 바인더 수지를 포함하고,
상기 다공성 기재 및 도전재층은 일면 또는 양면 상에 부착된 하이드록실기, 아민기, 암모니아기, 및 카르복실기 중 하나 이상을 포함하는 작용기를 포함하고, 적어도 다공성 기재 및 도전재층의 사이의 상기 작용기가 존재하는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막.
porous substrate; and
a conductive material layer laminated on the porous substrate; and
The conductive material layer includes a conductive material and a binder resin, which are carbon-based materials having porosity,
The porous substrate and the conductive material layer include a functional group including at least one of a hydroxyl group, an amine group, an ammonia group, and a carboxyl group attached on one or both surfaces, and the functional group exists between at least the porous substrate and the conductive material layer. Ha, a functional composite separator for lithium-sulfur secondary batteries.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 기재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에터에터케톤, 폴리아릴에터케톤, 폴리에터이미드, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에터설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 사이클릭 올레핀 코폴리머, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 유리 섬유, 폴리비닐리덴다이플로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 실리카, 알루미나, 타이타니아, 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 물질, 이들 2종 이상의 공중합체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막.
The method of claim 1,
The porous substrate is polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyacetal, polyamide, polyimide, polycarbonate, polyetheretherketone, polyaryletherketone, polyetherimide, poly Amideimide, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyphenylene oxide, cyclic olefin copolymer, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalate, glass fiber, polyvinylidene difluoride, polytetrafluoroethylene, silica , Alumina, titania, any one material selected from the group consisting of zeolite, a copolymer of two or more thereof, or a mixture thereof, a lithium-sulfur secondary battery functional composite separator.
제1항에 있어서,
상기 다공성 기재는 다층 기재이고,
상기 다층 기재의 각 층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에터에터케톤, 폴리아릴에터케톤, 폴리에터이미드, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에터설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 사이클릭 올레핀 코폴리머, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 유리 섬유, 폴리비닐리덴다이플로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 실리카, 알루미나, 타이타니아, 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 물질, 이들 2종 이상의 공중합체, 또는 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 재료를 포함하는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막.
According to claim 1,
The porous substrate is a multi-layer substrate,
Each layer of the multi-layer substrate is polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyacetal, polyamide, polyimide, polycarbonate, polyetheretherketone, polyaryletherketone, polyetherE Mead, polyamideimide, polybenzimidazole, polyether sulfone, polyphenylene oxide, cyclic olefin copolymer, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalate, glass fiber, polyvinylidene difluoride, polytetrafluoro A functional composite separator for lithium-sulfur secondary batteries, comprising a material selected from the group consisting of any one material selected from the group consisting of ethylene, silica, alumina, titania, and zeolite, a copolymer of two or more thereof, or a mixture thereof.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 기재는 1 - 1000㎛의 두께를 갖는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막.
The method of claim 1,
The porous substrate is a functional composite separator for a lithium-sulfur secondary battery, having a thickness of 1-1000 μm.
제1항에 있어서,
상기 도전재층은 CO2 플라즈마 처리되어 도전재층의 표면 상에 부착된 하이드록실기, 아민기, 암모니아기, 및 카르복실기 중 하나 이상을 포함하는 작용기를 포함하는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막.
According to claim 1,
The conductive material layer is CO 2 Plasma treatment to include a functional group including at least one of a hydroxyl group, an amine group, an ammonia group, and a carboxyl group attached to the surface of the conductive material layer, a lithium-sulfur secondary battery functional composite separator.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 물질은 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 그래파이트, 그라펜, 활성탄, 탄소섬유, 탄소 나노 튜브, 활성탄 또는 이들의 조합을 포함하는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막.
According to claim 1,
The carbon-based material includes natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, graphite, graphene, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, activated carbon, or a combination thereof, a lithium-sulfur secondary battery functional composite separator.
제1항에 있어서,
상기 도전재는 상기 바인더 수지의 중량에 대하여 5 - 80중량%로 포함되는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막.
According to claim 1,
The conductive material is included in 5-80% by weight based on the weight of the binder resin, a lithium-sulfur secondary battery functional composite separator.
제 1항에 있어서,
상기 바인더는 상기 도전재의 중량에 대하여 5 - 80중량%로 포함되는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막.
The method of claim 1,
The binder is included in 5-80% by weight based on the weight of the conductive material, a lithium-sulfur functional composite separator for a secondary battery.
제1항에 있어서,
상기 도전재층은 0.01 - 500㎛의 두께를 갖는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막.
According to claim 1,
The conductive material layer has a thickness of 0.01 - 500㎛, a lithium-sulfur secondary battery functional composite separator.
다공성 기재에 반응기체 플라즈마를 처리하여 상기 다공성 기재의 일면 또는 양면 상에 하이드록실기, 아민기, 암모니아기, 및 카르복실기 중 하나 이상을 포함하는 작용기를 부착하는 단계;
상기 작용기가 부착된 다공성 기재의 일면 상에 도전재층을 적층하는 단계; 및
도전재층에 반응기체 플라즈마를 처리하여 상기 도전재층에 하이드록실기, 아민기, 암모니아기, 및 카르복실기 중 하나 이상을 포함하는 작용기를 부착하는 단계;를 포함하며,
상기 도전재층은 다공성을 갖는 탄소계 물질인 도전재 및 바인더 수지를 포함하는 것인, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막 제조방법.
attaching a functional group including at least one of a hydroxyl group, an amine group, an ammonia group, and a carboxyl group to one or both surfaces of the porous substrate by treating the porous substrate with reactive gas plasma;
laminating a conductive material layer on one surface of the porous substrate to which the functional group is attached; and
Attaching a functional group comprising at least one of a hydroxyl group, an amine group, an ammonia group, and a carboxyl group to the conductive material layer by treating the conductive material layer with reactive gas plasma;
The conductive material layer is a method for manufacturing a functional composite separator for a lithium-sulfur secondary battery comprising a conductive material and a binder resin, which are carbon-based materials having a porosity.
제10항에 있어서,
상기 반응기체는 Ar, He, N2, NH3, NF3, F2, O2, CO2, H2, NOx, 및 공기로 구성된 군에서 선택된 어느 하나 이상의 기체고, 상기 x는 1≤x≤3인, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막 제조방법.
11. The method of claim 10,
The reactive gas is any one or more gases selected from the group consisting of Ar, He, N 2 , NH 3 , NF 3 , F 2 , O 2 , CO 2 , H 2 , NO x , and air, and x is 1≤ A method for manufacturing a functional composite separator for a lithium-sulfur secondary battery, wherein x≤3.
제11항에 있어서,
상기 반응기체는 CO2인, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막 제조방법.
12. The method of claim 11,
The reactive gas is CO 2 , a lithium-sulfur secondary battery functional composite separator manufacturing method.
제 10항에서 있어서,
상기 플라즈마 처리는 DC, RF, 및 마이크로웨이브 중 어느 하나의 동력을 포함하는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막 제조방법.
11. The method of claim 10,
The plasma treatment includes a power of any one of DC, RF, and microwave, a lithium-sulfur secondary battery functional composite separator manufacturing method.
제 10항에서 있어서,
상기 플라즈마 처리는 1 mTorr - 10 Torr의 압력 및 -196℃ - 500℃의 온도 조건에서 수행되는, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막 제조방법.
11. The method of claim 10,
The plasma treatment is performed at a pressure of 1 mTorr - 10 Torr and a temperature of -196°C - 500°C, a lithium-sulfur secondary battery functional composite separator manufacturing method.
제 10항에서 있어서,
상기 플라즈마 처리는 RF 플라즈마 동력 처리이고, 20kHz - 1GHz의 RF 주파수 및 25 - 10,000W 범위의 동력 조건에서 처리되는 것인, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막 제조방법.
11. The method of claim 10,
The plasma treatment is RF plasma power treatment, which will be treated at an RF frequency of 20kHz - 1GHz and a power condition in the range of 25 - 10,000W, a lithium-sulfur secondary battery functional composite separator manufacturing method.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막을 포함하는, 리튬-황 이차 전지.A lithium-sulfur secondary battery comprising a functional composite separator for a lithium-sulfur secondary battery according to any one of claims 1 to 9. 제16항에 있어서,
상기 리튬-황 이차 전지는 양극, 음극, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막, 및 전해질을 포함하며, 상기 양극과 음극은 서로 대향하여 배치되고, 리튬-황 이차전지용 기능성 복합 분리막 및 전해질은 상기 양극과 음극 사이에 위치하는, 리튬-황 이차 전지.
17. The method of claim 16,
The lithium-sulfur secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, a functional composite separator for a lithium-sulfur secondary battery, and an electrolyte, wherein the positive electrode and the negative electrode are disposed to face each other, and the functional composite separator for a lithium-sulfur secondary battery and the electrolyte are the positive electrode and a lithium-sulfur secondary battery located between the negative electrode.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11552324B2 (en) * 2020-09-11 2023-01-10 The Chinese University Of Hong Kong High efficiency zinc-iodine adsorption-aided flow battery with a low cost membrane
CN112090715A (en) * 2020-09-22 2020-12-18 北京航空航天大学 Graphite/alumina asymmetric membrane and preparation method thereof
KR102647488B1 (en) * 2021-07-15 2024-03-13 인하대학교 산학협력단 Manufacturing method of interconnected graphitic carbon nanocubes containing nickel and nitrogen and use thereof
CN113937418B (en) * 2021-10-11 2023-11-17 中科南京绿色制造产业创新研究院 Lithium-sulfur battery diaphragm, preparation method thereof and lithium-sulfur battery
WO2024068332A1 (en) * 2022-09-29 2024-04-04 Solvay Specialty Polymers Usa, Llc Membrane for alkaline water electrolysis

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030054221A1 (en) * 1998-02-06 2003-03-20 Kazuo Saito Fuel cell separator and process for producing the same
KR20080071093A (en) * 2007-01-29 2008-08-01 에보니크 데구사 게엠베하 Ceramic membranes with improved adhesion to plasma-treated polymeric supporting material and their production and use
KR20150101039A (en) * 2014-02-25 2015-09-03 코오롱패션머티리얼 (주) Porous support, method for manufacturing the same, and reinforced membrane comprising the same
KR101670580B1 (en) * 2015-02-26 2016-10-31 한양대학교 산학협력단 Separator for secondary battery, method of fabricating the same, and lithium secondary battery comprising the same
KR20170090294A (en) * 2016-01-28 2017-08-07 주식회사 엘지화학 A Separator For Lithium-Sulfur Battery Having Composite Coating Layer Containing Polydopamine, Manufacturing Method Thereof, And Lithium-Sulfur Battery Comprising The Same
KR20180023627A (en) 2016-08-26 2018-03-07 삼성에스디아이 주식회사 Separator for lithium metal battery and lithium metal battery including the same
KR20180056408A (en) 2016-11-18 2018-05-28 주식회사 엘지화학 Separator and electrochemical device containing the same
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Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030054221A1 (en) * 1998-02-06 2003-03-20 Kazuo Saito Fuel cell separator and process for producing the same
KR20080071093A (en) * 2007-01-29 2008-08-01 에보니크 데구사 게엠베하 Ceramic membranes with improved adhesion to plasma-treated polymeric supporting material and their production and use
KR20150101039A (en) * 2014-02-25 2015-09-03 코오롱패션머티리얼 (주) Porous support, method for manufacturing the same, and reinforced membrane comprising the same
KR101670580B1 (en) * 2015-02-26 2016-10-31 한양대학교 산학협력단 Separator for secondary battery, method of fabricating the same, and lithium secondary battery comprising the same
KR20170090294A (en) * 2016-01-28 2017-08-07 주식회사 엘지화학 A Separator For Lithium-Sulfur Battery Having Composite Coating Layer Containing Polydopamine, Manufacturing Method Thereof, And Lithium-Sulfur Battery Comprising The Same
KR20180023627A (en) 2016-08-26 2018-03-07 삼성에스디아이 주식회사 Separator for lithium metal battery and lithium metal battery including the same
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