KR20140082261A - Tri-layered separator, electrochemical device comprising the same, and method of preparing the separator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 삼층 분리막, 구체적으로는 부직포 층, 폴리올레핀 필름 및 부직포 층을 포함하는 삼층 분리막, 이를 포함하는 전기화학소자, 및 상기 분리막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-layered separator, specifically a nonwoven fabric layer, a polyolefin film and a nonwoven fabric layer, an electrochemical device including the same, and a process for producing the separator.
이차전지는 전기화학 반응을 이용해 충전과 방전을 연속적으로 반복하여 반영구적으로 사용할 수 있는 화학 전지로서 납축 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지 및 리튬 이차전지로 구분될 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차전지는 다른 전지들에 비하여 높은 전압 및 에너지 밀도 특성이 우수하여 이차전지 시장을 주도하고 있으며, 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 이차전지, 및 고체형 전해질을 사용하는 리튬 이온 고분자 이차전지로 구분되고 있다.A secondary battery is a chemical battery which can be used semi-permanently by repeatedly charging and discharging by electrochemical reaction, and can be classified into a lead-acid battery, a nickel-cadmium battery, a nickel-hydrogen battery and a lithium secondary battery. Among them, lithium secondary batteries are superior to other batteries in terms of high voltage and energy density characteristics, leading the secondary battery market. Depending on the kind of electrolyte, a lithium ion secondary battery using a liquid electrolyte and a solid electrolyte are used Lithium-ion polymer secondary batteries.
이러한 리튬 이차전지는 양극, 음극, 전해질 및 분리막을 구비하는 데, 이들 중 분리막에서 요구되는 특성은 양극과 음극을 분리하여 전기적으로 절연시키면서도 높은 기공도를 바탕으로 리튬 이온의 투과성을 높여서 이온 전도도를 높이는 것이다.The lithium secondary battery includes an anode, a cathode, an electrolyte and a separator. Among these separators, the separator is required to separate the anode and the cathode from each other and electrically insulate the same, while increasing the permeability of lithium ions based on the high porosity. It is the height.
일반적으로 사용되고 있는 분리막의 고분자 기재로는 기공 형성에 유리하고, 내화학성 및 기계적 물성, 열적 특성이 우수하면서도 비용이 저렴한 폴리올레핀(PO) 필름이 주로 사용되고 있으나, 통상의 충전 조건 이상으로 과충전되거나 또는 전극 조립체의 양극과 음극이 쇼트되는 경우, 양극에서 리튬염과 용매가 혼합된 전해질이 분해되고, 음극에서는 리튬 금속이 석출되어 전지 특성이 열화되고, 내부 단락이 발생할 수 있다.Polyolefin (PO) films which are advantageous for forming pores and which are excellent in chemical resistance, mechanical properties, and thermal properties and low in cost are mainly used as the polymer base material of the separator which is generally used. However, When the positive electrode and negative electrode of the assembly are short-circuited, the electrolyte in which the lithium salt and the solvent are mixed in the positive electrode is decomposed, lithium metal precipitates in the negative electrode, deteriorating battery characteristics, and internal short-circuiting may occur.
또한, 셧다운(shut-down) 및 열 안정성을 도모하기 위하여, 분리막으로서 3층(tri-layer) 구조, 예컨대 폴리프로필렌(PP)-폴리에틸렌(PE)-폴리프로필렌(PP)의 3층 구조의 필름이 현재 사용되고 있으나, 이러한 3층 구조의 필름은 분리막으로서 그의 통기도 및 열수축의 문제가 존재하므로, 셧다운과 열 안정성이 동시에 충족할 수 있으면서 통기도 및 열수축의 문제를 해결하는 방법에 대한 요구가 존재한다.In order to achieve shut-down and thermal stability, a three-layered structure of a tri-layer structure such as polypropylene (PP) -Polyethylene (PE) -Polypropylene (PP) There is a demand for a method of solving the problem of air permeability and heat shrinkage while simultaneously satisfying both shutdown and thermal stability because there is a problem of the air permeability and heat shrinkage thereof as a separator.
한편, 분리막으로서 부직포 층을 단독으로 사용하는 경우 그 자체 속성의 이유로 이온전도도 등은 유리하지만 내부 단락 및 불량한 강도로 인해 안정성이 부족하다는 단점이 존재하였다. 그의 제조 예로는 국제공개번호 WO 1999/64649(텐셀 리미티드; 국제공개 1999년12월16일) 등에 공개된 기술이 존재한다.On the other hand, when the nonwoven fabric layer is used alone as a separation membrane, ion conductivity and the like are advantageous because of its own property, but there is a disadvantage that stability is poor due to internal short circuit and poor strength. As a production example thereof, there is a technique disclosed in International Publication No. WO 1999/64649 (Tencel Ltd., International Publication, December 16, 1999).
따라서, 이러한 폴리올레핀 필름과 부직포 층의 단점을 보강하기 위하여 새로운 구조의 분리막의 개발이 여전히 요구되고 있다.Therefore, there is a continuing need to develop a separator having a new structure in order to reinforce the disadvantages of such a polyolefin film and a nonwoven fabric layer.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 폴리올레핀 필름과 부직포 층의 단점을 배제시키면서 이들의 장점을 부각시킨 분리막을 제공하는 것이다.A problem to be solved by the present invention is to provide a separator which has advantages of the polyolefin film and the nonwoven fabric layer while eliminating the disadvantages thereof.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따라, 제 1 부직포 층, 다공성 폴리올레핀 필름 및 제 2 부직포 층이 순서대로 적층되어 있는 적층체, 및 상기 다공성 폴리올레핀 필름과 접촉하지 않은 제 1 부직포 층의 일면, 제 2 부직포 층의 일면, 또는 상기 일면 둘다에 무기물 입자와 바인더의 혼합된 다공성 코팅층을 포함하는 삼층 구조의 전기화학소자용 분리막; 및 이를 포함하는 전기화학소자, 예컨대 리튬 이차전지가 제공된다.In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, there is provided a laminated body comprising a laminate in which a first nonwoven fabric layer, a porous polyolefin film and a second nonwoven fabric layer are laminated in order, and a first nonwoven fabric layer which is not in contact with the porous polyolefin film A separator for an electrochemical device having a three-layer structure including one surface of the first nonwoven fabric layer, one surface of the second nonwoven fabric layer, or a mixed porous coating layer of inorganic particles and a binder on both surfaces of the second nonwoven fabric layer; And an electrochemical device including the same, for example, a lithium secondary battery.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따라, 제 1 부직포 층 및 제 2 부직포 층을 준비하는 단계, 다공성 폴리올레핀 필름을 준비하는 단계, 상기 제 1 부직포 층, 다공성 폴리올레핀 필름 및 제 2 부직포 층을 순서대로 적층하여 적층체를 형성하는 단계, 상기 적층체를 압연시켜 삼층 구조물을 형성하는 단계, 상기 형성된 삼층 구조물의 최외곽 상하면에, 무기물 입자가 분산되어 있으며 바인더가 용매에 용해된 코팅액을 도포하여 다공성 코팅층을 형성하는 단계, 및 상기 코팅된 삼층 구조물로부터 용매를 제거하여 삼층 분리막을 형성하는 단계를 포함하는 전기화학소자용 분리막의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a porous polyolefin film, comprising the steps of preparing a first nonwoven fabric layer and a second nonwoven fabric layer, preparing a porous polyolefin film, Forming a three-layer structure by rolling the laminate; applying a coating liquid in which inorganic particles are dispersed and the binder is dissolved in a solvent on the outermost upper and bottom surfaces of the formed three-layer structure to form a porous coating layer And removing the solvent from the coated three-layered structure to form a three-layered separator.
본 발명에 따르면, 전기화학소자용 분리막이 그의 쇼트, 열수축 및 강도의 개선으로 인해 이를 포함하는 전기화학소자의 안정성을 유지시키면서 출력 성능을 크게 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the separation membrane for an electrochemical device can greatly improve the output performance while maintaining the stability of the electrochemical device including the short circuit, heat shrinkage and strength improvement.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 잘 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자용 분리막에 대한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자용 분리막의 제조공정에 대한 개략적 흐름도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description of the invention given above, serve to better understand the spirit of the invention. And should not be construed as limiting.
1 is a cross-sectional view of a separation membrane for an electrochemical device according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic flow chart of a process for producing a separator for an electrochemical device according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서의 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 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.Hereinafter, the present invention will be described in detail. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor may designate the concept of a term appropriately in order to describe its own invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the constitution described in the embodiments of the present invention is merely an embodiment of the present invention, and does not represent all the technical ideas of the present invention, so that various equivalents and modifications It should be understood.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자용 분리막에 대한 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a separation membrane for an electrochemical device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼층 구조의 전기화학소자용 분리막은 제 1 부직포 층과 제 2 부직포 층 사이에 다공성 폴리올레핀 필름이 개재되어 있다. 즉, 제 1 부직포 층, 다공성 폴리올레핀 필름 및 제 2 부직포 층이 순서대로 적층된 삼층 구조를 갖는 적층체이다.Referring to FIG. 1, a separator for an electrochemical device having a three-layer structure according to an embodiment of the present invention includes a porous polyolefin film interposed between a first nonwoven fabric layer and a second nonwoven fabric layer. That is, it is a laminate having a three-layer structure in which a first nonwoven fabric layer, a porous polyolefin film and a second nonwoven fabric layer are laminated in order.
다공성 폴리올레핀 필름은, 비제한적으로 폴리에틸렌, 예컨대 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌 또는 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 이들 중 2종 이상의 조합물로 형성된 고분자 막일 수 있으며, 이 폴리올레핀 필름은 당업계에 공지되어 있는 건식법 또는 습식법에 의해 기공을 형성시킴으로써 다공성 구조를 가질 수 있다.The porous polyolefin film may be made of one or more kinds selected from the group consisting of polyethylene, such as high density polyethylene, linear low density polyethylene, low density polyethylene or ultra high molecular weight polyethylene, polypropylene, polybutylene, , And the polyolefin film may have a porous structure by forming pores by a dry method or a wet method well known in the art.
이러한 다공성 폴리올레핀 필름은 분리막으로서 그 재료에 따라 여러 기능을 부여할 수 있다. 예를 들면, 상기 다공성 폴리올레핀 필름의 물질로는 폴리프로필렌(PP)을 사용할 수 있다. 이러한 폴리프로필렌(PP)은 그의 융점이 대략 165 내지 170 ℃이므로 전기화학소자의 내부 또는 외부 요인에 의한 열 상승에 대해 분리막으로서의 구조적 안정성, 즉 열 안정성을 우수하게 유지시킬 수 있다. 또한, 폴리에틸렌(PE)의 경우에는 상기 폴리프로필렌(PP)보다 상대적으로 낮은 융점, 예컨대 그의 융점이 대략 105 내지 140 ℃이므로 셧다운 기능을 전기화학소자에 부여할 수 있다.Such a porous polyolefin film can impart various functions depending on the material thereof as a separation membrane. For example, polypropylene (PP) can be used as the material of the porous polyolefin film. Since the melting point of the polypropylene (PP) is about 165 to 170 占 폚, the structural stability of the separator, that is, the thermal stability, can be kept excellent against heat rise due to internal or external factors of the electrochemical device. In the case of polyethylene (PE), a shutdown function can be imparted to the electrochemical device since the melting point of the polypropylene (PP) is lower than that of the polypropylene (PP), for example, its melting point is approximately 105 to 140 ° C.
다공성 폴리올레핀 필름은 약 1 내지 약 20 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 이 다공성 폴리올레핀 필름이 전술된 범위 내의 두께를 갖게 되면, 부직포만을 사용할 경우에 발생될 수 있는 쇼트의 위험을 저하시키고 낮은 분리막 강도를 강화시킬 수 있다. The porous polyolefin film can have a thickness of from about 1 to about 20 microns. When this porous polyolefin film has a thickness within the above-mentioned range, it is possible to reduce the risk of shorts which may occur when only a nonwoven fabric is used, and to enhance low membrane strength.
부직포는 방적, 제직 또는 편성에 의한 공정 없이 섬유 집합체를 화학적 작용(예컨대, 접착제를 섬유에 혼용하거나), 기계적 작용 또는 적당한 수분과 열 처리에 의해 상호 간을 결합한 포(布) 형상을 갖는 것으로 정의될 수 있다. 이 부직포는 그의 우수한 통기성, 보온성 및 절단 부분의 풀리지 않는 성질 등으로 인해 전기화학소자를 비롯한 여러 분야에 걸쳐 사용되고 있다. 이러한 부직포를 제조하는 방법으로는 건식, 습식, 스펀-적층, 전기분사 등의 방법이 있다.Nonwoven fabrics are defined as having a fabric shape in which the fibrous aggregate is chemically bonded (for example, by blending the adhesive to the fibers), mechanical action or by appropriate moisture and heat treatment, without process by spinning, weaving or knitting . These nonwoven fabrics are used in various fields including electrochemical devices due to their excellent air permeability, warmth and unresolved properties of cut portions. Examples of the method for producing such a nonwoven fabric include a dry method, a wet method, a spun-lamination method, and an electric spraying method.
부직포 원료물질, 즉 제 1 부직포 층 및 제 2 부직포 층의 원료물질의 예로는 각각 독립적으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리아릴에테르케톤(polyaryletherketone), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리아미드이미드(polyamideimide), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide), 사이클릭 올레핀 코폴리머(cyclic olefin copolymer), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리에틸렌-폴리비닐알코올 공중합체, 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등이 포함되며 이에 국한되지 않는다.Examples of the raw material of the nonwoven fabric raw material, that is, the first nonwoven fabric layer and the second nonwoven fabric layer are independently polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, Polyamide, polycarbonate, polyimide, polyetheretherketone, polyaryletherketone, polyetherimide, polyamideimide, polyetherketone, polyetheretherketone, polyetheretherketone, But are not limited to, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyphenylene oxide, cyclic olefin copolymer, polyphenylenesulfide, polyvinyl alcohol, Polyacrylic acid, polyethylene oxide, polyethylene-polyvinyl < RTI ID = 0.0 > Alcohol copolymer, polyethylene naphthalene (polyethylenenaphthalene) and the like are not limited.
통상적으로, 부직포의 물성은 예컨대 전기방사의 경우 방사용액의 성질(예컨대, 농도, 점성, 표면장력, 전도성, 점탄성, 극성 등), 주사기 (노즐) 끝부분에서 포집기까지의 거리, 전기장 세기(인가 전압 등), 방사 시간, 방사 속도, 방사 환경 등과 같은 공정상의 제어 변수의 변화에 따라 최종 생성된 섬유의 형태 또는 성질이 달라진다.Typically, the physical properties of the nonwoven fabric are determined, for example, in the case of electrospinning, by the properties of the spinning solution (e.g., concentration, viscosity, surface tension, conductivity, viscoelasticity, polarity, etc.), distance from the end of the syringe Voltage, etc.), the spinning time, the spinning speed, the spinning environment, and the like.
또한, 본 발명의 부직포 층은 코어-시스(core-sheath) 구조를 갖는 복합섬유로부터 형성될 수 있다. 이 코어-시스 구조의 부직포는 시스부의 전체 또는 일부가 서로 융착된 방식으로 복합섬유들이 결합되어 형성될 수 있다. 상기 복합섬유는 코어-시스 구조의 단면, 즉 코어부 및 상기 코어부를 둘러싸는 시스부를 갖는다. 코어부는 상대적으로 높은 녹는점을 갖는 고내열성 고분자이고, 시스부는 상기 고내열성 고분자보다 낮은 녹는점을 갖는 저내열성 고분자이다.Further, the nonwoven fabric layer of the present invention may be formed from a conjugate fiber having a core-sheath structure. The core-sheath nonwoven fabric may be formed by combining the composite fibers in such a manner that all or a part of the sheath portion is fused together. The composite fiber has a core-sheath structure cross section, that is, a core portion and a sheath portion surrounding the core portion. The core portion is a high heat resistant polymer having a relatively high melting point and the sheath portion is a low heat resistant polymer having a lower melting point than the high heat resistant polymer.
고내열성 고분자는 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리아미드이미드(polyamideimide), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide) 및 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이되, 이에 국한되지 않는다. 바람직하게는, 고내열성 고분자는 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)이다.The high heat-resistant polymer may be a polypropylene (PP), a polyethylene terephthalate (PET), a polyester, a polyacetal, a polyamide, a polycarbonate, a polyimide, Polyetheretherketone, polyetherimide (PEI), polyamideimide, polyethersulfone (PES), polyphenylene oxide, polyphenylenesulfide, and the like. Polytetrafluoroethylene, polyethylene naphthalene, and the like, but is not limited thereto. Preferably, the high heat-resistant polymer is polypropylene (PP) or polyethylene terephthalate (PET).
저내열성 고분자는 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이되, 이에 국한되지 않는다. 바람직하게는, 저내열성 고분자는 폴리에틸렌(PE)이다.The low heat-resistant polymer may be one selected from the group consisting of polyethylene (PE), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylidene fluoride But are not limited to, mixtures of two or more. Preferably, the low heat-resistant polymer is polyethylene (PE).
제 1 부직포 층 및 제 2 부직포 층은 각각 독립적으로 약 5 내지 약 60 ㎛, 또는 약 10 내지 약 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 이 제 1 부직포 층 및 제 2 부직포 층이 전술된 범위 내의 두께를 갖게 되면, 다공성 폴리올레핀 필름만을 사용할 경우에 발생될 수 있는 통기도 및 열수축과 관련된 문제점이 제거될 수 있다.The first nonwoven layer and the second nonwoven layer may each independently have a thickness of from about 5 to about 60 [mu] m, or from about 10 to about 50 [mu] m. If the first nonwoven layer and the second nonwoven layer have a thickness within the above-mentioned range, problems associated with air permeability and heat shrinkage that may occur when using only the porous polyolefin film can be eliminated.
또한, 상기 다공성 폴리올레핀 필름과 접촉하지 않은 제 1 부직포 층의 일면, 제 2 부직포 층의 일면, 또는 상기 일면 둘다에 무기물 입자와 바인더의 혼합된 다공성 코팅층이 도포되어 있다.A mixed porous coating layer of inorganic particles and a binder is applied to one surface of the first non-woven fabric layer that is not in contact with the porous polyolefin film, one surface of the second non-woven fabric layer, or both surfaces.
무기물 입자는 양극과 음극 사이에서 이물질, 열폭주 등에 의한 단락을 억제시켜서 전기화학소자의 안전성 확보에 더 유리할 수 있다. 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전기화학 소자의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 약 0 내지 약 5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는 경우 전기화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있다. 또한, 무기물 입자로서 유전율이 높은 무기물 입자를 사용하는 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해질의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.The inorganic particles can be more advantageous for securing the safety of the electrochemical device by suppressing a short circuit due to foreign matter, thermal runaway, etc. between the anode and the cathode. The inorganic particles are not particularly limited as long as they are electrochemically stable. That is, the inorganic particles usable in the present invention are not particularly limited as long as oxidation and / or reduction reaction does not occur in the operating voltage range of the applied electrochemical device (for example, about 0 to about 5 V based on Li / Li + ) . Particularly, when inorganic particles having ion transfer ability are used, the ion conductivity in the electrochemical device can be increased to improve the performance. When inorganic particles having a high dielectric constant are used as the inorganic particles, the dissociation of the electrolyte salt, for example, the lithium salt in the liquid electrolyte, can also contribute to enhance the ionic conductivity of the electrolyte.
전술한 이유들로 인해, 상기 무기물 입자는 유전율 상수가 약 5 이상, 예컨대 약 10 이상인 고유전율 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 유전율 상수가 약 5 이상인 무기물 입자의 비제한적인 예로는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), 하프니아(HfO2), SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2 , SiC 또는 이들의 혼합물 등이 있다.For the reasons stated above, the inorganic particles may comprise high-permittivity inorganic particles having a dielectric constant of at least about 5, such as at least about 10, inorganic particles having lithium ion transport capability, or mixtures thereof. Non-limiting examples of a dielectric constant of about 5 or more inorganic particles is BaTiO 3, Pb (Zr, Ti ) O 3 (PZT), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT), PB (Mg 3 Nb 2/3 ) O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), hafnia (HfO 2 ), SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , SiC Or mixtures thereof.
특히, 전술한 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1 - xLaxZr1 - yTiyO3(PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT) 및 하프니아(HfO2)와 같은 무기물 입자들은 유전율 상수 100 이상인 고유전율 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 일정 압력을 인가하여 인장 또는 압축되는 경우 전하가 발생하여 양쪽 면 간에 전위차가 발생하는 압전성(piezoelectricity)을 가짐으로써, 외부 충격에 의한 양(兩) 전극의 내부 단락 발생을 방지하여 전기화학 소자의 안전성 향상을 도모할 수 있다. 또한, 전술한 고유전율 무기물 입자와 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자들을 혼용할 경우 이들의 상승 효과는 배가될 수 있다.In particular, above a BaTiO 3, Pb (Zr, Ti ) O 3 (PZT), Pb 1 - x La x Zr 1 - y Ti y O 3 (PLZT), PB (Mg 3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT) and hafnia (HfO 2 ) exhibit a high permittivity characteristic with a permittivity constant of 100 or more. In addition, when a certain pressure is applied, a charge is generated when being tensioned or compressed. It is possible to prevent internal short-circuiting of both electrodes due to an external impact, thereby improving the safety of the electrochemical device. Further, when the above-mentioned high-permittivity inorganic particles and inorganic particles having lithium ion transferring ability are mixed, their synergistic effect can be doubled.
상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 리튬 원소를 함유하되 리튬을 저장하지 아니하고 리튬 이온을 이동시키는 기능을 갖는 무기물 입자를 지칭하는 것으로서, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자는 입자 구조 내부에 존재하는 일종의 결함으로 인해 리튬 이온을 전달 및 이동시킬 수 있기 때문에, 전지내 리튬 이온 전도도가 향상되고, 이로 인해 전지 성능 향상을 도모할 수 있다. 상기 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자의 비제한적인 예로는 리튬포스페이트(Li3PO4), 리튬티타늄포스페이트(LixTiy(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), 리튬알루미늄티타늄포스페이트(LixAlyTiz(PO4)3, 0 < x < 2, 0 < y < 1, 0 < z < 3), 14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5 등과 같은 (LiAlTiP)xOy 계열 glass (0 < x < 4, 0 < y < 13), 리튬란탄티타네이트(LixLayTiO3, 0 < x < 2, 0 < y < 3), Li3 .25Ge0 .25P0 .75S4 등과 같은 리튬게르마니움티오포스페이트(LixGeyPzSw, 0 < x < 4, 0 < y < 1, 0 < z < 1, 0 < w < 5), Li3N 등과 같은 리튬나이트라이드(LixNy, 0 < x < 4, 0 < y < 2), Li3PO4-Li2S-SiS2 등과 같은 SiS2 계열 glass(LixSiySz, 0 < x < 3, 0 < y < 2, 0 < z < 4), LiI-Li2S-P2S5 등과 같은 P2S5 계열 glass(LixPySz, 0 < x < 3, 0 < y < 3, 0 < z < 7) 또는 이들의 혼합물 등이 있다.The inorganic particles having the lithium ion transferring ability refer to inorganic particles that contain a lithium element but do not store lithium but have a function of transferring lithium ions. The inorganic particles having lithium ion transferring ability exist in the particle structure It is possible to transfer and move lithium ions due to a kind of defect, so that the lithium ion conductivity in the battery is improved, thereby improving the performance of the battery. Examples of the inorganic particles having lithium ion transferring ability include lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium titanium phosphate (Li x Ti y (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y < (Li x Al y Ti z (PO 4 ) 3 , 0 <x <2, 0 <y <1, 0 <z <3), 14Li 2 O-9Al 2 O 3 -38TiO 2 -39P 2 O 5 as such (LiAlTiP) x O y series glass (0 <x <4, 0 <y <13), lithium lanthanum titanate (Li x La y TiO 3, 0 <x <2, 0 <y <3 ), Li 3 .25 Ge 0 .25 P 0 .75 S 4 Lithium, such as germanium Mani help thiophosphate lithium nitro, such as (Li x Ge y P z S w, 0 <x <4, 0 <y <1, 0 <z <1, 0 <w <5), Li 3 N fluoride (Li x N y, 0 < x <4, 0 <y <2), Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 SiS 2 family, such as glass (Li x Si y S z , 0 <x <3 , 0 <y <2, 0 <z <4), LiI-Li 2 SP 2 S 5 , etc., such as P 2 S 5 based glass (Li x P y S z , 0 <x <3, 0 <y <3, 0 < z < 7), or a mixture thereof.
무기물 입자의 크기는 제한이 없으나, 균일한 두께의 코팅층 형성 및 적절한 공극률을 위하여, 무기물 입자의 평균 입경은 가능한 한 약 0.01 내지 약 5 ㎛, 또는 약 0.05 내지 약 1.0 ㎛일 수 있다. 상기 무기물 입자의 크기가 상기 범위를 만족하는 경우, 분산성이 개선되어 분리막의 물성을 조절하기가 용이하고, 다공성 코팅층의 두께가 증가하여 기계적 물성이 저하되거나 지나치게 큰 기공 크기로 인해 전지 충방전시 내부 단락이 일어날 문제가 방지될 수 있다.The size of the inorganic particles is not limited, but for the formation of a uniform thickness of coating layer and adequate porosity, the average particle size of the inorganic particles may be as possible as possible from about 0.01 to about 5 탆, or from about 0.05 to about 1.0 탆. When the size of the inorganic particles satisfies the above range, the dispersibility is improved, the physical properties of the separator can be easily controlled, the thickness of the porous coating layer is increased, and the mechanical properties are deteriorated or excessively large, The problem of an internal short circuit can be prevented.
바인더의 비제한적인 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene, PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로 에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloro ethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-클로로트리플루오로 에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-chlorotrifluoro ethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸 풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알코올(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸 셀룰로오스(cyanoethyl cellulose), 시아노에틸 수크로오스(cyanoethyl sucrose), 풀루란(pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC), 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체(acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 및 스티렌 부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 바인더는 상기 무기물 입자의 일부 또는 전부에 위치하여 상기 무기물 입자 사이를 연결 및 고정시킨다.Non-limiting examples of the binder include polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene ), Polyvinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyrrolidone, But are not limited to, polyvinylacetate, polyethylene-co-vinyl acetate, polyethylene oxide, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate (cellulose acetate propionate), cyanoethylpullulan lan, cyanoethylpolyvinylalcohol, cyanoethyl cellulose, cyanoethyl sucrose, pullulan, carboxyl methyl cellulose (CMC), acrylic Acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer, polyimide, polyvinylidenefluoride, polyacrylonitrile, and styrene butadiene rubber (SBR). , Or a mixture of two or more thereof. The binder is located on part or all of the inorganic particles to connect and fix the inorganic particles.
본 발명의 일 실시예에 따라 분리막에 코팅된 다공성 코팅층의 무기물 입자와 바인더의 조성비는 예컨대 약 50:50 내지 약 99:1, 또는 약 60:40 내지 약 95:5일 수 있다. 무기물 입자와 바인더로 구성되는 다공성 코팅층의 두께는 특별한 제한이 없으나, 약 0.01 내지 약 20 ㎛ 범위일 수 있다. 또한, 기공 크기 및 기공도 역시 특별한 제한이 없으나, 기공 크기는 약 0.01 내지 약 10 ㎛ 범위이고, 기공도는 약 5 내지 약 90% 범위일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the composition ratio of the inorganic particles and the binder in the porous coating layer coated on the separator may be, for example, about 50:50 to about 99: 1, or about 60:40 to about 95: 5. The thickness of the porous coating layer composed of the inorganic particles and the binder is not particularly limited, but may be in the range of about 0.01 to about 20 占 퐉. The pore size and porosity are also not particularly limited, but the pore size may range from about 0.01 to about 10 μm, and the porosity may range from about 5 to about 90%.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리막은 다공성 코팅층 성분으로서 전술한 무기물 입자 및 바인더 이외에 기능 및 안정성을 개선시키기 위해 기타 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.The separation membrane according to an embodiment of the present invention may further include other additives in order to improve the function and stability in addition to the inorganic particles and the binder described above as the porous coating layer component.
이와 같이, 2개의 부직포 층과 그 사이에 개재된 폴리올레핀 필름을 갖는 3층 구조에 의해 구조적 안정성과 더불어 효과적인 셧다운과 열 안정성을 부여할 수 있다.Thus, a three-layer structure having two nonwoven fabric layers and a polyolefin film sandwiched therebetween can provide effective shutdown and thermal stability together with structural stability.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라, 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되어 있는 전술된 전기화학소자용 분리막을 포함하는 전기화학소자가 제공된다. 본 발명의 일 측면에 따른 전기화학소자는 전기화학 반응을 하는 모든 소자를 포함하며, 구체적인 예를 들면, 모든 종류의 일차전지, 이차전지, 연료전지, 태양전지 또는 수퍼 캐패시터 소자와 같은 캐패시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 상기 이차전지 중 리튬 금속 이차전지, 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차전지 또는 리튬 이온 폴리머 이차전지 등을 포함하는 리튬 이차전지가 포함될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is also provided an electrochemical device including a positive electrode, a negative electrode, and a separation membrane for electrochemical devices interposed between the positive electrode and the negative electrode. The electrochemical device according to one aspect of the present invention includes all devices that perform an electrochemical reaction, and specific examples thereof include capacitors such as all types of primary cells, secondary cells, fuel cells, solar cells, or super capacitor devices ). In particular, a lithium secondary battery including a lithium metal secondary battery, a lithium ion secondary battery, a lithium polymer secondary battery, or a lithium ion polymer secondary battery may be included in the secondary battery.
본 발명의 일 측면에 따른 분리막과 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 사용할 수 있다. 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 사용 가능하다. 양극 전류집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 음극 전류집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.The electrode to be applied together with the separator according to an aspect of the present invention is not particularly limited, and the electrode active material may be bound to an electrode current collector according to a conventional method known in the art. Examples of the cathode active material include, but are not limited to, lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium iron oxide, or a combination thereof A lithium complex oxide may be used. As a non-limiting example of the negative electrode active material, a conventional negative electrode active material that can be used for a negative electrode of an electrochemical device can be used. In particular, lithium metal or a lithium alloy, carbon, petroleum coke, activated carbon, Lithium adsorbing materials such as graphite or other carbon-based materials and the like can be used. Non-limiting examples of the positive current collector include aluminum, nickel, or a combination thereof. Examples of the negative current collector include copper, gold, nickel, or a copper alloy or a combination thereof Foil to be manufactured, and the like.
본 발명의 일 측면에 따른 전기화학소자에서 사용될 수 있는 전해질은 A+B-와 같은 구조의 염으로서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하고 B-는 PF6 -, BF4 -, Cl-, Br-, I-, ClO4 -, AsF6 -, CH3CO2 -, CF3SO3 -, N(CF3SO2)2 -, C(CF2SO2)3 -와 같은 음이온 또는 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함하는 염이 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 디메틸카보네이트(DMC), 디프로필카보네이트(DPC), 디메틸설폭사이드, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 테트라하이드로퓨란, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸메틸카보네이트(EMC), 감마 부티로락톤 (g-부티로락톤) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 유기 용매에 용해 또는 해리된 것이 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.The electrolyte that can be used in the electrochemical device according to one aspect of the present invention is a salt having a structure such as A + B - , where A + is an alkali metal cation such as Li + , Na + , K + And B - is a metal ion such as 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 - anion, or a salt containing an ion composed of a combination of propylene carbonate (PC) such as, ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC ), Dimethyl carbonate (DPC), dimethylsulfoxide, acetonitrile, dimethoxyethane, diethoxyethane, tetrahydrofuran, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethylmethyl carbonate (G-butyrolactone), or an organic solvent composed of a mixture thereof, but is not limited thereto It is not.
상기 전해질 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지조립 전 또는 전지조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.The electrolyte injection may be performed at an appropriate stage of the battery manufacturing process, depending on the manufacturing process and required properties of the final product. That is, it can be applied before assembling the cell or at the final stage of assembling the cell.
본 발명의 일 측면에 따른 분리막을 전지로 적용하는 공정으로는 일반적인 공정인 권취(winding) 이외에도 분리막과 전극의 적층(lamination, stack) 및 접음(folding) 공정이 가능하다.As a process for applying a separator according to an aspect of the present invention to a battery, a lamination, stacking and folding process of a separator and an electrode can be performed in addition to a conventional winding process.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자용 분리막의 제조공정에 대한 개략적 흐름도이다.2 is a schematic flow chart of a process for producing a separator for an electrochemical device according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참고하면, 본 발명의 다른 측면에 따라, 부직포 층의 준비 단계(S1), 다공성 폴리올레핀 필름의 준비 단계(S2), 적층체의 형성 단계(S3), 삼층 구조물의 형성 단계(S4), 다공성 코팅층의 형성 단계(S5) 및 삼층 분리막의 형성 단계(S6)를 포함하는 전기화학소자용 분리막의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a porous polyolefin film, comprising the steps of preparing a nonwoven fabric layer (S1), preparing a porous polyolefin film (S2), forming a laminate (S3) , Forming a porous coating layer (S5), and forming a three-layered separator (S6).
S1 단계에서, 제 1 부직포 층 및 제 2 부직포 층을 준비한다. 이들 각각의 부직포 층은 당업계에 통상적인 방법을 사용하여 앞서 본원에서 기재된 바와 같은 부직포 물질로 동일한 또는 상이한 재료 및/또는 패턴으로 형성시킬 수 있다. 사용되는 재료에 따라, 부직포 층 자체의 결착력과 그와 인접한 폴리올레핀 필름과의 결합력이 달라질 수 있는 데, 이는 그 재료의 고유 융점 및 강도에 따라 부직포 층을 구조적 완전성을 개선시킬 수 있으며 또한 상기 층과 인접하는 폴리올레핀 필름과 바인더, 열융착 등을 통하여 결합될 수 있다.In step S1, a first nonwoven fabric layer and a second nonwoven fabric layer are prepared. Each of these nonwoven layers may be formed of the same or different materials and / or patterns with a nonwoven material as previously described herein using methods customary in the art. Depending on the material used, the binding force of the nonwoven fabric layer itself and the bonding force between the nonwoven fabric layer and the adjacent polyolefin film may vary, which may improve the structural integrity of the nonwoven fabric layer depending on the intrinsic melting point and strength of the material, Can be bonded to the adjacent polyolefin film through a binder, heat fusion, or the like.
예컨대, 본 발명의 부직포 층은 코어-시스(core-sheath) 구조를 갖는 복합섬유로부터 형성될 수 있다. 이 코어-시스 구조의 부직포는 시스부의 전체 또는 일부가 서로 융착된 방식으로 복합섬유들이 결합되어 형성될 수 있다. 상기 복합섬유는 코어-시스 구조의 단면, 즉 코어부 및 상기 코어부를 둘러싸는 시스부를 갖는다. 코어부는 상대적으로 높은 녹는점을 갖는 고내열성 고분자이고, 시스부는 상기 고내열성 고분자보다 낮은 녹는점을 갖는 저내열성 고분자이다. 고내열성 고분자 및 저내열성 고분자는 앞서 본원에서 기재된 바와 같다.For example, the nonwoven fabric layer of the present invention may be formed from a conjugate fiber having a core-sheath structure. The core-sheath nonwoven fabric may be formed by combining the composite fibers in such a manner that all or a part of the sheath portion is fused together. The composite fiber has a core-sheath structure cross section, that is, a core portion and a sheath portion surrounding the core portion. The core portion is a high heat resistant polymer having a relatively high melting point and the sheath portion is a low heat resistant polymer having a lower melting point than the high heat resistant polymer. The high heat resistant polymer and the low heat resistant polymer are as described hereinabove.
이러한 구조의 부직포 층은 그 층 자체가 열융착에 의해 층 구조를 견고하게 유지할 수 있고, 그 사이에 형성된 기공을 통하여 전해질의 이동경로가 될 수 있으며, 상기 층과 인접한 폴리올레핀 필름과 열융착, 압연 등을 통하여 쉽게 결합하여 적층체를 형성할 수 있다.The nonwoven fabric layer having such a structure can firmly maintain the layer structure by thermal fusion of the layer itself, and can be a path for transporting the electrolyte through the pores formed therebetween. The nonwoven fabric layer can be bonded to the polyolefin film, Or the like, to form a laminate.
S2 단계에서, 앞서 본원에서 기재된 바와 같은 폴리올레핀 물질을 사용하여 폴리올레핀 필름을 형성시키며, 당업계에 통상적인 방법을 사용하여 폴리올레핀 필름의 기공을 형성시킨다. 이러한 통상적인 방법, 예컨대 일축 또는 이축 연신함으로써 기공을 형성시키는 건식법, 및 희석제, 용매 또는 기공형성제를 혼합하고 제거함으로써 기공을 형성시키는 습식법은 당업계에 잘 알려져 있다.In step S2, a polyolefin film is formed using the polyolefin material as previously described herein, and the pores of the polyolefin film are formed using methods customary in the art. Such conventional methods, such as dry methods for forming pores by uniaxial or biaxial orientation, and wet methods for forming pores by mixing and removing diluents, solvents or pore formers are well known in the art.
S3 단계에서, S1 및 S2 단계에서 준비된 제 1 부직포 층, 다공성 폴리올레핀 필름 및 제 2 부직포 층을 순서대로 적층하여 적층체를 형성한다. 제 1 부직포 층과 제 2 부직포 층은 재료, 두께 및/또는 패턴 등에 있어서 서로 동일하거나 다를 수 있다. 적층의 방법은 개별적으로, 배치식으로 또는 동시에 실시될 수 있다.In step S3, the first nonwoven fabric layer, the porous polyolefin film, and the second nonwoven fabric layer prepared in steps S1 and S2 are laminated in this order to form a laminate. The first nonwoven fabric layer and the second nonwoven fabric layer may be the same or different from each other in material, thickness, and / or pattern. The methods of lamination can be carried out individually, batchwise or simultaneously.
S4 단계에서, S3 단계에서 형성된 적층체를 압연시킨다. 이러한 압연은 당업계에 통상적인 방법 및 기구를 사용하여 실시되며, 이로 인해 제 1 부직포 층, 다공성 폴리올레핀 필름 및 제 2 부직포 층이 순서대로 적층되어 압연된다. In step S4, the laminate formed in step S3 is rolled. Such rolling is carried out using methods and equipment customary in the art, whereby the first nonwoven layer, the porous polyolefin film and the second nonwoven layer are laminated in order and rolled.
또한, S2 단계에서도 언급한 바와 같이 예컨대 코어-시스 구조와 같은 부직포는 당업계에 공지되어 있는 바인더, 열융착, 압연 등에 의해 쉽게 다공성 폴리올레핀 필름과 결합될 수 있다.Also, as mentioned in step S2, the nonwoven fabric such as a core-sheath structure can be easily bonded to the porous polyolefin film by a binder, heat fusion, rolling or the like known in the art.
이러한 적층, 결합, 압연 등을 통하여 제 1 부직포 층, 다공성 폴리올레핀 필름 및 제 2 부직포 층의 순서를 갖는 삼층 구조물이 형성된다.Through this lamination, bonding, rolling and the like, a three-layer structure having the order of the first nonwoven layer, the porous polyolefin film and the second nonwoven layer is formed.
S5 단계에서, S4 단계에서 형성된 삼층 구조물의 최외곽 상하면에 코팅층을 형성시킨다. 이 최외곽 상하면은 부직포 층의 노출된 일면, 즉 상기 폴리올레핀 필름과 접하지 않은 제 1 부직포 층 또는 제 2 부직포 층의 일면이다. 상기 최외곽 상하면에 코팅액을 도포하는 데, 이 코팅액은 무기물 입자가 분산되어 있고, 바인더가 용매에 용해되어 있는 용액이다.In step S5, a coating layer is formed on the outermost surface of the three-layered structure formed in step S4. The outermost upper and lower surfaces are one surface of the exposed nonwoven fabric layer, that is, the first nonwoven fabric layer or the second nonwoven fabric layer not in contact with the polyolefin film. The coating liquid is applied to the outermost upper and lower surfaces of the coating liquid. The coating liquid is a solution in which inorganic particles are dispersed and a binder is dissolved in a solvent.
무기물 입자 및 바인더는 앞서 본원에서 기재된 바와 같다. 바인더는 고분자만을 사용할 경우 적절한 용매에 용해시켜 코팅액을 준비한다. 바인더로서 저분자가 포함되는 경우, 고분자는 저분자에 용해될 수 있으므로, 용매를 사용하지 않을 수 있다.The inorganic particles and binders are as previously described herein. When only the polymer is used, the binder is dissolved in an appropriate solvent to prepare a coating solution. When a low molecular weight is contained as a binder, a polymer may be dissolved in a low molecular weight, and thus a solvent may not be used.
용매로는 사용하고자 하는 바인더와 용해도 지수가 유사하며, 끓는점이 낮은 것이 바람직하다. 이는 혼합이 균일하게 이루어질 수 있으며, 이후 용매를 용이하게 제거할 수 있기 때문이다. 용매의 비제한적인 예로는 아세톤(acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 사이클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합물 등이 있다.As the solvent, the solubility index is similar to the binder to be used, and it is preferable that the solvent has a low boiling point. This is because the mixing can be made uniform and then the solvent can be easily removed. Non-limiting examples of the solvent include acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone (N- methyl-2-pyrrolidone, NMP), cyclohexane, water or mixtures thereof.
바인더는 예컨대 용매에 용해시켜 바인더 용액을 준비한다. 상기 바인더 용액에 무기물 입자를 첨가하여 슬러리를 형성시킨다. 이때, 무기물 입자가 바인더 용액에 분산되어 있는 슬러리가 형성하게 된다. 그 다음, 상기 슬러리를 예컨대 당업계에 공지되어 있는 방식으로 상기 부직포 층의 일면에 도포하고 건조시킴으로써 다공성 코팅층을 형성시킨다. 상기 형성된 다공성 코팅층은 상기 부직포 층의 일면 및 기공 중 1종 이상의 영역에 존재하게 된다. 이로 인해, 다공성 코팅층이 그 위에 형성된 삼층 구조물이 형성하게 된다.The binder is dissolved in, for example, a solvent to prepare a binder solution. Mineral particles are added to the binder solution to form a slurry. At this time, a slurry in which the inorganic particles are dispersed in the binder solution is formed. The slurry is then applied to one side of the non-woven layer, for example, in a manner known in the art, and dried to form a porous coating layer. The formed porous coating layer is present on at least one of the one surface and the pores of the nonwoven fabric layer. This results in the formation of a three-layer structure on which the porous coating layer is formed.
S6 단계에서, S5 단계에서 코팅된 삼층 구조물로부터 용매를 제거한다. 이 용매 제거는 추출 및 건조에 의해 실시될 수 있다. 이러한 제거를 통하여 용매가 차지하던 공간이 기공으로서 남게 되어 다공성 구조의 코팅층을 갖게 된다. In step S6, the solvent is removed from the coated three-layer structure in step S5. This solvent removal can be carried out by extraction and drying. Through this removal, the space occupied by the solvent is left as pores to have a coating layer of porous structure.
이러한 단계들에 따라, 삼층 구조를 갖는 전기화학소자용 분리막이 제조된다.According to these steps, a separation membrane for an electrochemical device having a three-layer structure is produced.
Claims (17)
상기 다공성 폴리올레핀 필름과 접촉하지 않은 제 1 부직포 층의 일면, 제 2 부직포 층의 일면, 또는 상기 일면 둘다에 무기물 입자와 바인더의 혼합된 다공성 코팅층
을 포함하는 삼층 구조의 전기화학소자용 분리막.A laminate in which a first nonwoven fabric layer, a porous polyolefin film and a second nonwoven fabric layer are laminated in this order, and
A porous coating layer in which inorganic particles and a binder are mixed on one surface of the first non-woven fabric layer not in contact with the porous polyolefin film, one surface of the second non-woven fabric layer,
Layer separator for an electrochemical device.
상기 다공성 폴리올레핀 필름이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 및 폴리펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 이들 중 2종 이상의 조합물로 형성된 고분자 막인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막.The method according to claim 1,
Wherein the porous polyolefin film is a polymer membrane formed of one kind selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polybutylene, and polypentene, or a combination of two or more thereof.
상기 다공성 폴리올레핀 필름이 1 내지 20 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막.The method according to claim 1,
Wherein the porous polyolefin film has a thickness of 1 to 20 占 퐉.
상기 제 1 부직포 층 및 제 2 부직포 층이 각각 독립적으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리아릴에테르케톤(polyaryletherketone), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리아미드이미드(polyamideimide), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide), 사이클릭 올레핀 코폴리머(cyclic olefin copolymer), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리에틸렌-폴리비닐알코올 공중합체 및 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 고분자 막인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막.The method according to claim 1,
Wherein the first nonwoven fabric layer and the second nonwoven fabric layer each independently comprise at least one selected from the group consisting of polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate for example, polycarbonate, polycarbonate, polycarbonate, polyimide, polyetheretherketone, polyaryletherketone, polyetherimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polyether But are not limited to, polyethersulfone, polyphenylene oxide, cyclic olefin copolymer, polyphenylenesulfide, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyethylene oxide polyethylene oxide, polyethylene-polyvinyl alcohol copolymer and polyethylene naphtha Wherein the polymer electrolyte membrane is a polymer membrane formed of one selected from the group consisting of polyethylenenaphthalene or a mixture of two or more thereof.
상기 제 1 부직포 층 및 제 2 부직포 층이 각각 독립적으로 5 내지 60 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막.The method according to claim 1,
Wherein the first nonwoven fabric layer and the second nonwoven fabric layer each independently have a thickness of 5 to 60 占 퐉.
상기 제 1 부직포 층 및 제 2 부직포 층이 각각 독립적으로 코어-시스(core-sheath) 구조를 갖는 복합섬유로부터 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막.The method according to claim 1,
Wherein the first nonwoven fabric layer and the second nonwoven fabric layer are formed from composite fibers having a core-sheath structure independently of each other.
상기 무기물 입자가 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막.The method according to claim 1,
Wherein the inorganic particles are selected from the group consisting of inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more, inorganic particles having a lithium ion transporting ability, and mixtures thereof.
상기 바인더가 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene, PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로 에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloro ethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-클로로트리플루오로 에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-chlorotrifluoro ethylene), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸 풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알코올(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸 셀룰로오스(cyanoethyl cellulose), 시아노에틸 수크로오스(cyanoethyl sucrose), 풀루란(pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC), 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체(acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 및 스티렌 부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막.The method according to claim 1,
Wherein the binder is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene, polyvinylidene fluoride- Polyvinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl acetate (also referred to as polyvinylpyrrolidone), polyvinylpyrrolidone polyvinyl acetate, polyvinylacetate, polyethylene-co-vinyl acetate, polyethylene oxide, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate ), Cyanoethylpullulan, cyano But are not limited to, polyvinyl alcohol, cyanoethylpolyvinylalcohol, cyanoethyl cellulose, cyanoethyl sucrose, pullulan, carboxyl methyl cellulose (CMC), acrylonitrile-styrene-butadiene But are not limited to, those selected from the group consisting of acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer, polyimide, polyvinylidenefluoride, polyacrylonitrile, and styrene butadiene rubber (SBR) Or a mixture of two or more thereof.
상기 전기화학소자가 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.10. The method of claim 9,
Wherein the electrochemical device is a lithium secondary battery.
다공성 폴리올레핀 필름을 준비하는 단계,
상기 제 1 부직포 층, 다공성 폴리올레핀 필름 및 제 2 부직포 층을 순서대로 적층하여 적층체를 형성하는 단계,
상기 적층체를 압연시켜 삼층 구조물을 형성하는 단계,
상기 형성된 삼층 구조물의 최외곽 상하면에, 무기물 입자가 분산되어 있으며 바인더가 용매에 용해된 코팅액을 도포하여 다공성 코팅층을 형성하는 단계, 및
상기 코팅된 삼층 구조물로부터 용매를 제거하여 삼층 분리막을 형성하는 단계
를 포함하는 전기화학소자용 분리막의 제조방법.Preparing a first nonwoven layer and a second nonwoven layer,
Preparing a porous polyolefin film,
A step of laminating the first nonwoven fabric layer, the porous polyolefin film and the second nonwoven fabric layer in order to form a laminate,
Rolling the laminate to form a three-layer structure,
Forming a porous coating layer on the outermost upper surface of the formed three-layered structure by coating a coating solution in which inorganic particles are dispersed and the binder is dissolved in a solvent, and
Removing the solvent from the coated three-layer structure to form a three-layered separator
Wherein the separator is formed of a metal.
상기 삼층 구조물의 형성 단계에서, 상기 적층체를 열융착시키는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 제조방법.12. The method of claim 11,
Wherein the step of forming the three-layer structure further comprises thermally fusing the layered product.
상기 다공성 폴리올레핀 필름이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등으로부터 선택되는 1종, 또는 이들 중 2종 이상의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 고분자 막인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 제조방법.12. The method of claim 11,
The porous polyolefin film is a polymer film formed of one kind selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polybutylene, polypentene, and the like, or a combination of two or more thereof, or a mixture of two or more thereof Wherein the separating film is formed on the substrate.
상기 제 1 부직포 층 및 제 2 부직포 층이 각각 독립적으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리아릴에테르케톤(polyaryletherketone), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리아미드이미드(polyamideimide), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenylene oxide), 사이클릭 올레핀 코폴리머(cyclic olefin copolymer), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 폴리에틸렌-폴리비닐알코올 공중합체 및 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성된 고분자 막인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 제조방법.12. The method of claim 11,
Wherein the first nonwoven fabric layer and the second nonwoven fabric layer each independently comprise at least one selected from the group consisting of polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate for example, polycarbonate, polycarbonate, polycarbonate, polyimide, polyetheretherketone, polyaryletherketone, polyetherimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polyether But are not limited to, polyethersulfone, polyphenylene oxide, cyclic olefin copolymer, polyphenylenesulfide, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyethylene oxide polyethylene oxide, polyethylene-polyvinyl alcohol copolymer and polyethylene naphtha Wherein the polymer electrolyte membrane is a polymer membrane formed of one selected from the group consisting of polyethylenenaphthalene or a mixture of two or more thereof.
상기 무기물 입자가 유전율 상수가 5 이상인 무기물 입자, 리튬 이온 전달 능력을 갖는 무기물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 제조방법.12. The method of claim 11,
Wherein the inorganic particles are selected from the group consisting of inorganic particles having a dielectric constant of 5 or more, inorganic particles having lithium ion transferring ability, and mixtures thereof.
상기 바인더가 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스(cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethylsucrose), 풀루란(pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose), 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔공중합체(acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide) 및 부틸 아크릴레이트-에틸 아크릴레이트-시아노 아크릴 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 제조방법.12. The method of claim 11,
Wherein the binder is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene, polyvinylidene fluoride-co-trichlorethylene, polymethylmethacrylate, poly Polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, polyvinylacetate, polyethylene-co-vinyl acetate, polyethylene oxide, cellulose acetate, polyvinylpyrrolidone, , Cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, cyanoethylpullulan, cyanoethylpolyvinylalcohol, cyanoethylcellulose, cyanoethylcellulose, Cyanoethylsucros e), pullulan, carboxyl methyl cellulose, acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer, polyimide, and butyl acrylate-ethyl acrylate -Cyanoacrylic copolymer, or a mixture of two or more of them.
상기 용매가 아세톤(acetone), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 클로로포름(chloroform), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 사이클로헥산(cyclohexane), 물 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 제조방법.12. The method of claim 11,
Wherein the solvent is selected from the group consisting of acetone, tetrahydrofuran, methylene chloride, chloroform, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, pyrrolidone, NMP), cyclohexane, water, or a mixture thereof.
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