WO2012033321A2 - 세퍼레이터, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자 - Google Patents

세퍼레이터, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자 Download PDF

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Definitions

  • electrochemical devices are produced by many companies, but their safety characteristics show different aspects. It is very important to evaluate the safety and secure the safety of these electrochemical devices. The most important consideration is that an electrochemical device should not cause injury to the user in case of malfunction. For this purpose, safety standards strictly regulate the ignition and smoke in the electrochemical device. In the safety characteristics of the electrochemical device, there is a high possibility that an explosion occurs when the electrochemical device is overheated to cause thermal runaway or the separator penetrates.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a jelly-roll electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a full cell according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a stack-folding electrode assembly according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Interfacial polymerization is a polymerization method in which a reagent is dissolved in two liquid phases, each of which is not mixed with each other, to obtain a polymer.
  • a polyfunctional amine having two or more amine groups, which are aqueous is used for forming a polyamide.
  • a first solution in which the compound is dissolved in water and a second solution in which an aromatic acyl halide compound having two or more acyl halide groups that are nonpolar are dissolved in an organic solvent are prepared.
  • the separator of the present invention is interposed between the positive electrode and the negative electrode to manufacture an electrochemical device.
  • the electrolyte may be gelled by reacting the injected electrolyte with the polymer after assembling the battery using the separator.
  • the electrode assembly 300 may be manufactured by stacking the anode 10 / separator 70 / cathode 20 or the cathode / separator / anode in repeat units.
  • the separator 70 uses the separator of the present invention.
  • a 3-ply separator for lithium secondary batteries made of PP (polypropylene) / PE (polyethylene) / PP was prepared.
  • the separator had a thickness of 20 ⁇ m, a porosity of 40%, and a pore size of 0.03 ⁇ m.

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Abstract

본 발명은 세퍼레이터에 관한 것으로, 더 자세하게는 평면상의 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재의 적어도 일면에 형성되어 있으며, 2개 이상의 아민기를 갖는 다관능성 아민 화합물과 2개 이상의 아실 할라이드기를 갖는 방향족 화합물로 된 다관능성 아실 할라이드 화합물이 중합하여 형성된 가교 폴리아미드를 포함하는 다공성 박막 코팅층을 구비한다. 이러한 가교 폴리아미드 다공성 박막은 세퍼레이터의 통기도에 영향을 주지 않으며, 전해액에 대한 친화성 및 젖음성이 우수하여 전지 성능 향상에 기여하고, 내열성과 변형에 대한 저항성이 우수하므로 세퍼레이터의 열수축 방지에 기여한다.

Description

세퍼레이터, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자
본 발명은 전기화학소자의 세퍼레이터, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자에 대한 것이다.
본 출원은 2010년 9월 6일에 출원된 한국특허출원 제10-2010-0087091호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
또한, 본 출원은 2011년 9월 6일에 출원된 한국특허출원 제10-2011-0090097호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 촛점이 되고 있으며, 최근에는 이러한 전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발로 진행되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬 이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다. 그러나 이러한 리튬 이온 전지는 유기 전해액을 사용하는 데 따르는 발화 및 폭발 등의 안전 문제가 존재하고, 제조가 까다로운 단점이 있다. 최근의 리튬 이온 고분자 전지는 이러한 리튬 이온 전지의 약점을 개선하여 차세대 전지의 하나로 꼽히고 있으나 아직까지 전지의 용량이 리튬 이온 전지와 비교하여 상대적으로 낮고, 특히 저온에서의 방전 용량이 불충분하여 이에 대한 개선이 시급히 요구되고 있다.
상기와 같은 전기화학소자는 많은 회사에서 생산되고 있으나 그들의 안전성 특성은 각각 다른 양상을 보인다. 이러한 전기화학소자의 안전성 평가 및 안전성 확보는 매우 중요하다. 가장 중요한 고려사항은 전기화학소자가 오작동시 사용자에게 상해를 입혀서는 안된다는 것이며, 이러한 목적으로 안전규격은 전기화학소자 내의 발화 및 발연 등을 엄격히 규제하고 있다. 전기화학소자의 안전성 특성에 있어서, 전기화학소자가 과열되어 열폭주가 일어나거나 세퍼레이터가 관통될 경우에는 폭발을 일으키게 될 우려가 크다.
특히, 전기화학소자의 세퍼레이터로서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀계 다공성 막은 열 폭주시 극심한 열 수축 거동을 보임으로서, 양극과 음극 사이의 단락을 일으키는 문제점이 있다. 한편, 폴리올레핀계 다공성 막과 같은 통상적인 세퍼레이터는 전해액에 대한 젖음성이 좋지 않으므로 전기화학소자의 성능 개선이 부정적인 영향을 끼친다.
이에 내열성이 뛰어나며 전해액에 대한 젖음성이 우수한 세퍼레이터가 요구되고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 세퍼레이터를 대체하여, 내열성 및 전해액에 대한 젖음성이 개선된 세퍼레이터, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 세퍼레이터는 평면상의 다공성 기재; 상기 평면상의 다공성 기재의 적어도 일면에 형성되어 있으며, 2개 이상의 아민기를 갖는 다관능성 아민 화합물과 2개 이상의 아실 할라이드기를 갖는 방향족 화합물로 된 다관능성 아실 할라이드 화합물이 중합하여 형성된 가교 폴리아미드를 포함하는 다공성 박막 코팅층을 구비한다.
또한, 본 발명은 2개 이상의 아민기를 갖는 다관능성 아민 화합물을 물에 용해시켜 제 1 용액을 준비하고, 2개 이상의 아실 할라이드기를 갖는 방향족 화합물로 된 다관능성 아실 할라이드 화합물을 유기용매에 용해시켜 제 2 용액을 준비하는 단계; 및 평면상의 다공성 기재의 적어도 일면에 상기 제 1 용액과 제 2 용액을 순차적으로 도포하고 계면중합시키는 단계를 포함하는, 전술한 세퍼레이터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따라 다공성 기재 위에 형성된 가교 폴리아미드 박막 코팅층은 매우 얇고 기공율이 높게 형성되어 세퍼레이터의 통기도에 거의 영향을 주지 않으며, 아미드의 특성상 전해액에 대한 친화성 및 젖음성이 우수하여 전기화학소자의 성능 향상에 기여한다. 또한, 가교 폴리아미드 박막 코팅층은 내열성과 변형에 대한 저항성이 우수하므로 세퍼레이터의 열수축 방지에 기여한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 젤리-롤 전극조립체에 대한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 분리막을 지그재그로 절곡한 전극조립체에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 단순 스택형의 전극조립체에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 풀셀에 대한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 풀셀에 대한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 바이셀에 대한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 바이셀에 대한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스택-폴딩형의 전극조립체에 대한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스택-폴딩형의 전극조립체에 대한 단면도이다.
도 10는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양면 스택-폴딩형의 전극조립체에 대한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폴딩필름이 절곡되는 전극조립체에 대한 단면도이다.
도 12은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폴딩필름이 절곡되는 양면 전극조립체에 대한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폴딩필름이 권취되는 전극조립체에 대한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폴딩필름이 권취되는 양면 전극조립체에 대한 단면도이다.
도 15는 본 발명의 비교예 1 및 실시예 1의 세퍼레이터를 사용하여 제조한 리튬이차전지의 충전 성능에 대한 그래프이다.
[부호의 설명]
10: 양극 20: 음극
70: 분리막 80: 폴딩필름
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 세퍼레이터는 평면상의 다공성 기재를 구비한다. 평면상의 다공성 기재로는 다양한 고분자로 형성된 다공성 막이나 부직포등 통상적으로 전기화학소자에 사용되는 평면상의 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하다. 예를 들어 전기화학소자 특히, 리튬 이차전지의 세퍼레이터로 사용되는 폴리올레핀계 다공성 막이나, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유로 이루어진 부직포 등을 사용할 수 있으며, 그 재질이나 형태는 목적하는 바에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를 들어 폴리올레핀계 다공성 막(membrane)은 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성할 수 있으며, 부직포 역시 폴리올레핀계 고분자 또는 이보다 내열성이 높은 고분자를 이용한 섬유로 제조될 수 있다. 이러한 평면상의 다공성 기재는 단일층을 가진 경우도 가능하며, 필요한 경우에는 폴리프로필렌/폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌과 같이 다층인 경우도 가능하다.
또한 평면상의 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 1 내지 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 5 내지 50 ㎛이고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95%인 것이 바람직하다.
본 발명의 세퍼레이터는 평면상의 다공성 기재의 표면에 형성되어 있으며, 2개 이상의 아민기를 갖는 다관능성 아민 화합물과 2개 이상의 아실 할라이드기를 갖는 방향족 화합물로 된 다관능성 아실 할라이드 화합물이 중합하여 형성된 가교 폴리아미드를 포함하는 다공성 박막 코팅층을 구비한다. 이러한 가교 폴리아미드를 포함하는 다공성 박막 코팅층은 평면상의 다공성 기재의 일면 또는 양면에 형성될 수 있다.
본 발명에 따라 다공성 박막 코팅층을 구성하는 가교 폴리아미드는 2개 이상의 아민기를 갖는 다관능성 아민 화합물 및 2개 이상의 아실 할라이드기를 갖는 방향족 화합물로 된 다관능성 아실 할라이드 화합물의 중합으로 형성된다. 이러한 폴리아미드의 아미드 결합은 안정성이 우수하고 전해액에 대한 친화성이 양호하다. 특히 폴리아미드가 서로 가교된 구조의 가교 폴리아미드는 내열성과 변형에 대한 저항성이 매우 우수하다. 따라서, 본 발명에 따라 가교 폴리아미드를 포함하는 다공성 박막 코팅층을 가지는 세퍼레이터는 전해액에 대한 친화성이 우수하며 젖음성이 좋아 전지 성능 향상에 기여하고, 가교 폴리아미드 박막 코팅층은 내열성과 변형에 대한 저항성이 우수하므로 세퍼레이터의 열수축 방지에 기여한다.
이러한 가교 폴리아미드를 포함하는 다공성 박막 코팅층은 매우 얇고, 기공크기는 작지만 기공율이 높으므로, 다공성 기재의 통기도에 영향을 주지 않아 전체적인 세퍼레이터의 통기성이 우수한다. 이때, 우수한 통기성을 위해서는 가교 폴리아미드를 포함하는 다공성 박막 코팅층의 두께는 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛인 것이 바람직하다.
바람직하게는 본 발명의 상기 다관능성 아민 화합물은 메타페닐렌디아민, 파라페닐렌디아민, 피페라진, 시클로알리파틱 2급디아민, N,N'-디메틸-1,3-페닐렌디아민, N,N'-디페닐에틸렌 디아민, 벤자딘 및 자일렌 디아민 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 다관능성 아실 할라이드 화합물은 트리메조일 클로라이드, 이소프탈로일 클로라이드 및 테레프탈로일 클로라이드 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 세퍼레이터는 다관능성 아민 화합물과 다관능성 아실 할라이드 화합물을 계면중합하여 가교 폴리이미드로 이루어진 다공성 박막 코팅층을 형성하여 제조할 수 있는데, 구체적인 방법은 다음과 같다.
먼저, 2개 이상의 아민기를 갖는 다관능성 아민 화합물을 물에 용해시켜 제 1 용액을 준비하고, 2개 이상의 아실 할라이드기를 갖는 방향족 화합물로된 다관능성 아실 할라이드 화합물을 유기용매에 용해시켜 제 2 용액을 준비한다.
계면중합은 서로 섞이지 않은 두 액상(液相)에 각각 한 성분씩 시약을 용해하여 두어 중합체를 얻는 중합방법으로, 본 발명에서는 폴리아미드의 형성을 위하여, 수성인 2개 이상의 아민기를 갖는 다관능성 아민 화합물을 물에 용해시킨 제 1 용액과 비극성인 2개 이상의 아실 할라이드기를 갖는 방향족 아실 할라이드 화합물을 유기용매에 용해시킨 제 2 용액을 준비한다.
제 1 용액의 다관능성 아민 화합물로는 메타페닐렌디아민, 파라페닐렌디아민, 피페라진, 시클로알리파틱 2급디아민, N,N'-디메틸-1,3-페닐렌디아민, N,N'-디페닐에틸렌 디아민, 벤자딘 및 자일렌 디아민 등을 사용하는 것이 바람직하다.
제 2 용액의 다관능성 아실할라이드 화합물로는 트리메조일 클로라이드, 이소프탈로일 클로라이드 및 테레프탈로일 클로라이드 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 제 2 용액의 유기용매로는 헥산, 시클로헥산, 헵탄, C8 내지 C12인 알칸, 디클로로디플루오로메탄, 트리클로로플루오로메탄, 클로로디플루오로메탄, 디클로로테트라플루오로에탄 및 트리클로로트리플루오로에탄 등을 사용할 수 있다.
이어서, 평면상의 다공성 기재의 적어도 일면에 상기 제 1 용액과 제 2 용액을 순차적으로 도포하고 계면중합시켜 가교 폴리아미드를 포함하는 다공성 박막 코팅층을 형성한다.
수용액인 제 1 용액을 롤코트, 바코팅, 스프레이 또는 침지법 등의 통상적인 액체 코팅법으로 다공성 기재에 도포한 이후에, 비극성인 제 2 용액을 도포한다. 이러한 평면성 다공성 기재의 일면 또는 양면에 도포 가능하다. 다만, 제 2 용액의 아실할라이드 화합물이 물과 반응하여 카르복시산으로 변환되는 것을 최소화하기 위하여, 제 2 용액을 도포하기 이전에 상기 제1 용액이 도포된 다공성 기재를 스퀴징하여 도포된 제1 용액의 두께를 조절하는 것이 바람직하다.
상온에서 제 1 용액과 제 2 용액 간의 계면에서 중합반응이 진행되어 폴리아미드 박막 코팅층이 생성된다. 이때, 다관능성 아민 화합물과 다관능성 아실할라이드 화합물을 사용하여, 다수의 아민기와 다수의 아실 할라이드기 상호간의 축합중합으로 인하여 가교 폴리아미드가 형성된다.
이후에 수세, 건조의 후처리 공정을 통하여 가교 폴리아미드를 포함하는 다공성 박막 코팅층을 포함하는 세퍼레이터를 제조한다. 제조된 다공성 박막 코팅층의 두께는 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛인 것이 바람직하다. 제 1 용액 및 제 2 용액의 농도 또는 계면중합 반응시간을 조절하여 원하는 두께의 다공성 박막 코팅층을 얻을 수 있다.
이러한 본 발명의 세퍼레이터는 양극과 음극 사이에 개재되어 전기화학소자로 제조된다. 이때, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우, 상기 세퍼레이터를 이용하여 전지를 조립한 후 주입된 전해액과 고분자가 반응하여 겔화될 수 있다.
본 발명의 전기화학소자는 전기 화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 1차, 이차 전지, 연료 전지, 태양 전지 또는 수퍼 캐패시터 소자와 같은 캐퍼시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 상기 2차 전지 중 리튬 금속 이차 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차 전지 등을 포함하는 리튬 이차전지가 바람직하다.
본 발명의 세퍼레이터와 함께 적용될 전극으로는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 전극활물질을 전극 전류집전체에 결착된 형태로 제조할 수 있다. 상기 전극활물질 중 양극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 양극에 사용될 수 있는 통상적인 양극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬망간산화물, 리튬코발트산화물, 리튬니켈산화물, 리튬철산화물 또는 이들을 조합한 리튬복합산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 음극활물질의 비제한적인 예로는 종래 전기화학소자의 음극에 사용될 수 있는 통상적인 음극활물질이 사용 가능하며, 특히 리튬 금속 또는 리튬 합금, 탄소, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그래파이트(graphite) 또는 기타 탄소류 등과 같은 리튬 흡착물질 등이 바람직하다. 양극 전류집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 전류집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 전해액은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (g-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전해액 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지 조립 전 또는 전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
본 발명의 세퍼레이터를 전지로 적용하는 공정으로는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 세퍼레이터와 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.
본 발명의 세퍼레이터는 이차전지의 양극과 음극 사이에 개재될 수 있고, 복수의 셀 또는 전극을 집합시켜 전극조립체를 구성할 때 인접하는 셀 또는 전극 사이에 개재될 수 있다. 상기 전극조립체는 단순 스택형, 젤리-롤형, 스택-폴딩형 등의 다양한 구조를 가질 수 있다.
도 1을 참조한 일 실시예에 따르면, 상기 전극조립체(100)는 활물질이 도포된 양극(10)과 음극(20) 사이에 본 발명의 세퍼레이터(70)를 개재시키고 양극(10)/분리막(70)/음극(20)을 연속적으로 권취하여 제조할 수 있다. 도 2를 참조하면, 대안적으로는 양극(10)/분리막(70)/음극(20)을 일정한 간격을 가지도록 절곡하여 지그재그형의 중첩된 구조를 갖도록 전극조립체(200)를 제조할 수 있다. 한편, 상기 권취 또는 절곡되는 전극조립체는 용량의 증대를 위해 교호로 적층된 복수의 전극과 분리막을 포함할 수 있다.
도 3을 참조한 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 전극조립체(300)는 양극(10)/분리막(70)/음극(20) 또는 음극/분리막/양극을 반복 단위로 적층시켜 제조할 수 있다. 여기서 상기 분리막(70)은 본 발명의 세퍼레이터를 사용한다.
일 실시예에 따르면, 풀셀 또는 바이셀의 구조를 갖는 복수의 단위셀을 폴딩필름으로 집합시켜 제조할 수 있다. 여기서 상기 폴딩 필름은 일반적인 절연필름 또는 본 발명의 세퍼레이터를 사용할 수 있다. 상기 풀셀 구조는 극성이 다른 전극 사이에 분리막이 개재된 셀 구조를 적어도 하나 이상 포함하되 최외측에 위치한 전극의 극성이 다른 셀 구조를 의미한다. 도 4 및 도 5를 참조한 풀셀 구조의 일례(400,500)로는 양극(10)/분리막(70)/음극(20) 또는 양극(10)/분리막(70)/음극(20)/분리막(70)/양극(10)/분리막(70)/음극(20) 등을 들 수 있다. 상기 바이셀 구조는 극성이 다른 전극 사이에 분리막이 개재된 셀 구조를 적어도 하나 이상 포함하되 최외측에 위치한 전극의 극성이 같은 셀 구조를 의미한다. 도 6 및 도 7을 참조한 바이셀 구조(600,700)의 일례로는 양극(10)/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극 등을 들 수 있다.
폴딩필름을 사용하여 단위셀들을 집합시키는 방식은 여러 가지가 가능하다. 도 8을 참조한 일례로, 길이 방향으로 연장된 폴딩필름(80)의 한쪽 면에 복수의 단위셀들(10/70/20)을 소정의 간격으로 배열한 후 배열된 단위셀들과 함께 폴딩필름을 한쪽 방향으로 권취하여 전극조립체(800)를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극조립체(900)는 권취된 폴딩필름(80)의 사이에 단위셀들(10/70/20)이 삽입된 구조를 갖는다. 도 10을 참조한 다른 예로, 길이 방향으로 연장된 폴딩필름(80)의 양면에 복수의 단위셀들(10/70/20)을 소정의 간격으로 배열한 후 배열된 단위셀들과 함께 폴딩필름(80)을 한쪽 방향으로 권취하여 전극조립체(1000)를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극조립체는 권취된 폴딩필름의 사이에 단위셀들이 삽입된 구조를 갖는다. 상기 단위셀들의 배치 간격과 각 단위셀의 최외각에 위치하는 전극의 극성은 폴딩필름에 접한 상부 셀의 전극과 하부셀의 전극의 극성이 반대가 되도록 선택된다. 일례로, 양극/분리막/음극/폴딩필름/양극/분리막/음극/폴딩필름/양극...과 같은 전극조립체의 구조가 형성되도록 단위셀의 배치간격과 각 단위셀의 최외각에 위치하는 전극의 극성이 선택될 수 있다.
도 11을 참조한 또 다른 예는, 길이 방향으로 연장된 폴딩필름(80)의 한쪽 면에 복수의 단위셀들(10/70/20)을 소정의 간격으로 배열하고, 배열된 단위셀들(10/70/20)과 함께 폴딩필름(80)을 지그재그형으로 절곡하여, 절곡된 폴딩필름 사이에 단위셀이 배치된 구조로 전극조립체(1100)를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극조립체는 절곡하여 적층된 폴딩필름의 사이에 단위셀들이 삽입된 구조를 갖는다. 도 12를 참조한 다른 예로, 길이 방향으로 연장된 폴딩필름(80)의 양면에 복수의 단위셀들(10/70/20)을 소정의 간격으로 배열한 후 배열된 단위셀들(10/70/20)과 함께 폴딩필름을 지그재그형으로 절곡하여, 절곡된 폴딩필름(80) 사이에 단위셀(10/70/20)이 배치된 구조로 전극조립체(1200)를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극조립체는 절곡하여 적층된 폴딩필름의 사이에 단위셀들이 삽입된 구조를 갖는다. 상기 단위셀들의 배치 간격과 각 단위셀의 최외각에 위치하는 전극의 극성은 폴딩필름에 접한 상부 셀의 전극과 하부셀의 전극의 극성이 반대가 되도록 선택된다. 일례로, 양극/분리막/음극/폴딩필름/양극/분리막/음극/폴딩필름/양극...과 같은 전극조립체의 구조가 형성되도록 단위셀의 배치간격과 각 단위셀의 최외각에 위치하는 전극의 극성이 선택될 수 있다.
그리고, 폴딩필름을 사용하여 전극들을 집합시키는 방식은 여러 가지가 가능하다. 도 13을 참조한 일례로, 폴딩필름(80)의 한쪽 면에 음극(20), 양극(10), 음극, 양극…을 교대로 배치하고, 한쪽 방향으로 폴딩필름(80)과 함께 배치된 전극(10,20)을 권취하여 전극조립체(1300)를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극조립체는 권취된 폴딩필름의 사이에 전극들이 삽입된 구조를 갖는다. 도 14를 참조하는 다른 예로, 길이 방향으로 연장된 폴딩필름(80)의 양면에 복수의 전극들(10,20)을 소정의 간격으로 배열한 후 배열된 전극(10,20)들과 함께 폴딩필름(80)을 한쪽 방향으로 권취하여 전극조립체(1400)를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극조립체는 권취된 폴딩필름의 사이에 전극들이 삽입된 구조를 갖는다. 상기 전극들의 배치 간격과 상기 전극의 극성은 폴딩필름에 접한 상부 전극과 하부 전극의 극성이 반대가 되도록 선택된다. 일례로, 양극/폴딩필름/음극/폴딩필름/양극...과 같은 전극조립체의 구조가 형성되도록 전극의 배치간격과 각 전극의 극성이 선택될 수 있다.
또 다른 예는, 폴딩필름의 한쪽 면에 음극, 양극, 음극, 양극…을 교대로 배치하고, 한쪽 방향으로 폴딩필름과 함께 배치된 전극을 절곡하여, 절곡된 폴딩필름 사이에 전극이 배치된 구조로 전극조립체를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극조립체는 절곡하여 적층된 폴딩필름의 사이에 전극들이 삽입된 구조를 갖는다. 다른 예로, 길이 방향으로 연장된 폴딩필름의 양면에 복수의 전극들을 소정의 간격으로 배열한 후 배열된 전극들과 함께 폴딩필름을 절곡하여, 절곡된 폴딩필름 사이에 단위셀이 배치된 구조로 전극조립체를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 전극조립체는 절곡하여 적층된 폴딩필름의 사이에 전극들이 삽입된 구조를 갖는다. 상기 전극들의 배치 간격과 상기 전극의 극성은 폴딩필름에 접한 상부 전극과 하부 전극의 극성이 반대가 되도록 선택된다. 일례로, 양극/폴딩필름/음극/폴딩필름/양극...과 같은 전극조립체의 구조가 형성되도록 전극의 배치간격과 각 전극의 극성이 선택될 수 있다.
한편, 전극조립체의 제조에 사용되는 폴딩필름의 길이는 마지막 단위셀 또는 전극을 상기에서 설명한 방식으로 집합시킨 후, 전극조립체를 적어도 한번 이상 감쌀 수 있도록 선택될 수 있다. 다만, 상기의 전극조립체들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 또한 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
비교예 1. 리튬이온전지용 3겹 세퍼레이터
PP(폴리프로필렌)/PE(폴리에틸렌)/PP으로 이루어진 리튬 이차전지용 3겹 세퍼레이터를 준비하였다. 상기 세퍼레이터의 두께는 20㎛이고, 기공도는 40 %이며, 기공크기는 0.03 ㎛이었다.
실시예 1. 폴리아미드 코팅한 리튬이온전지용 3겹 세퍼레이터
2 중량%의 메타페닐디아민 수용액 및 0.1 중량%의 트리메조일 클로라이드를 포함하는 이소파라핀 용액을 준비하였다.
상기 비교예 1의 3겹 세퍼레이터를 2 중량%의 메타페닐디아민 수용액에 2분간 침지시킨 후에 잔존하는 수분을 롤러를 사용하여 제거하였다. 상온에서, 상기 수용액 처리된 3겹 세퍼레이터를 0.1 중량%의 트리메조일 클로라이드 이소파라핀 용액에서 1분간 반응시켰다.
폴리아미드 코팅층이 형성된 3겹 세퍼레이터를 대기 중에서 2분간 건조한 후에, 수세를 거치고, 70℃ 오븐에서 1시간 건조하여 폴리아미드 코팅한 리튬이온전지용 3겹 세퍼레이터를 제조하였다.
시험예 1. 통기도의 측정
비교예 1 및 실시예 1의 세퍼레이터의 통기도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
표 1
통기도 (sec/100㎖)
비교예 1 440
실시예 1 420
상기 표 1에서 보는 바와 같이 비교예 1과 실시예 1의 통기도는 거의 동일한 바, 본 발명의 가교 폴리아미드 코팅층은 통기도에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.
시험예 2. 열수축률의 측정
비교예 1 및 실시예 1의 세퍼레이터를 170℃ 오븐에서 1시간 동안 가열하여, 가열 전후의 세퍼레이터의 면적을 비교하여 열수축률을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
표 2
열수축률 (%)
비교예 1 48
실시예 1 31
상기 표 2에서 보는 바와 같이 비교예 1에 비하여 실시예 1의 열수축률이 우수한 바, 본 발명의 가교 폴리아미드 코팅층이 열안정성이 뛰어남을 알 수 있다.
시험예 3. 젖음성 향상에 대한 테스트
비교예 1 및 실시예 1의 세퍼레이터를 1×10 cm의 크기로 준비하여, 밀폐된 용기의 에틸렌 카보네이트(EC) 전해액에 1 cm 깊이로 담지하여 일정시간 경과 후의 전해액의 이동 높이를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
표 3
1분 30분
비교예 1 1 mm 2 mm
실시예 1 1 mm 22 mm
30분 경과 후의 세퍼레이터에서의 전해액의 이동 높이는 비교예 1의 경우에는 2 mm에 불과하지만, 폴리아미드 코팅층을 도입한 실시예 1의 경우에는 무려 22 mm에 해당되어 전해액에 대한 함침성이 매우 우수함을 알 수 있었다.
시험예 4. 충전성능 테스트
천연흑연이 코팅된 구리 호일을 음극으로 사용하고 리튬금속을 양극으로 사용하고, 상기 음극과 양극 사이에 비교예 1 또는 실시예 1의 세퍼레이터를 개재하고, 1M LiPF6 EC/EMC 전해액을 주입하여 리튬 이차전지를 제조하였다. 이러한 전지에 대하여 충전 성능을 테스트하여 시험결과에 관한 그래프를 도 1에 나타내었다.
상기 도 1에 따르면, 실시예 1의 세퍼레이터를 사용한 전지의 충전 성능이 비교예 1의 경우보다 우수함을 알 수 있었다.

Claims (14)

  1. 평면상의 다공성 기재;
    상기 다공성 기재의 적어도 일면에 형성되어 있으며, 2개 이상의 아민기를 갖는 다관능성 아민 화합물과 2개 이상의 아실 할라이드기를 갖는 방향족 화합물로 된 다관능성 아실 할라이드 화합물이 중합하여 형성된 가교 폴리아미드를 포함하는 다공성 박막 코팅층을 구비하는 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다관능성 아민 화합물은 메타페닐렌디아민, 파라페닐렌디아민, 피페라진, 시클로알리파틱 2급디아민, N,N'-디메틸-1,3-페닐렌디아민, N,N'-디페닐에틸렌 디아민, 벤자딘 및 자일렌 디아민 중에서 선택된 1종의 아민 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다관능성 아실 할라이드 화합물은 트리메조일 클로라이드, 이소프탈로일 클로라이드 및 테레프탈로일 클로라이드 중에서 선택된 1종의 방향족 아실 할라이드 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 평면상의 다공성 기재는 폴리올레핀계 다공성 막인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 다공성 막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자로 형성된 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 평면상의 다공성 기재의 두께는 5 내지 50 ㎛이고, 기공 크기 및 기공도는 각각 0.01 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95%인 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  7. 2개 이상의 아민기를 갖는 다관능성 아민 화합물을 물에 용해시켜 제 1 용액을 준비하고, 2개 이상의 아실 할라이드기를 갖는 방향족 화합물로 된 다관능성 아실 할라이드 화합물을 유기용매에 용해시켜 제 2 용액을 준비하는 단계; 및
    평면상의 다공성 기재의 적어도 일면에 상기 제 1 용액과 제 2 용액을 순차적으로 도포하고 계면중합시키는 단계를 포함하는 제1항의 세퍼레이터 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다관능성 아민 화합물은 메타페닐렌디아민, 파라페닐렌디아민, 피페라진, 시클로알리파틱 2급디아민, N,N'-디메틸-1,3-페닐렌디아민, N,N'-디페닐에틸렌 디아민, 벤자딘 및 자일렌 디아민 중에서 선택된 1종의 아민 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제1항의 세퍼레이터 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 다관능성 아실 할라이드 화합물은 트리메조일 클로라이드, 이소프탈로일 클로라이드 및 테레프탈로일 클로라이드 중에서 선택된 1종의 방향족 아실 할라이드 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제1항의 세퍼레이터 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 유기용매는 헥산, 시클로헥산, 헵탄, C8 내지 C12인 알칸, 디클로로디플루오로메탄, 트리클로로플루오로메탄, 클로로디플루오로메탄, 디클로로테트라플루오로에탄 및 트리클로로트리플루오로에탄 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제1항의 세퍼레이터 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 평면상의 다공성 기재는 폴리올레핀계 다공성 막인 것을 특징으로 하는 제1항의 세퍼레이터 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 다공성 막은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자로 형성된 것을 특징으로 하는 제1항의 세퍼레이터 제조방법.
  13. 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전기화학소자에 있어서,
    상기 세퍼레이터가 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 세퍼레이터인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전기화학소자는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
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