KR100470314B1 - A complex membrane for electrochemical device, manufacturing method and electrochemical device having the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬이차전지와 같은 전기화학소자에 이용될 수 있는 복합막, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자에 관한 것으로서, 본 발명의 전기화학소자용 복합막은 폴리올레핀계 미세다공성 막; 및 상기 폴리올레핀계 미세다공성 막의 일면 이상에 접합되며, 나노섬유로 이루어진 웹상의 다공성 막;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 복합막은 전해액을 균일하게 흡수할 수 있으므로 전기화학소자에 사용시 전지의 성능이 크게 향상될 뿐만 아니라, 기계적 강도가 우수하고 전극과의 결착력이 양호하여 전지 제조의 공정속도를 증대시킬 수 있다.The present invention relates to a composite membrane that can be used in an electrochemical device such as a lithium secondary battery, a method for manufacturing the same, and an electrochemical device having the same. The composite membrane for an electrochemical device of the present invention includes a polyolefin-based microporous membrane; And a porous membrane on a web made of nanofibers bonded to at least one surface of the polyolefin-based microporous membrane. Since the composite membrane according to the present invention can absorb the electrolyte uniformly, the performance of the battery is greatly improved when used in an electrochemical device, and the mechanical strength is good and the binding with the electrode is good, thereby increasing the process speed of battery manufacturing. have.

Description

전기화학소자용 복합막, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자{A complex membrane for electrochemical device, manufacturing method and electrochemical device having the same}A composite membrane for an electrochemical device, a manufacturing method and an electrochemical device having the same {A complex membrane for electrochemical device, manufacturing method and electrochemical device having the same}

본 발명은 리튬이차전지와 같은 전기화학소자에 이용될 수 있는 복합막, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자에 관한 것이다.The present invention relates to a composite membrane that can be used in an electrochemical device, such as a lithium secondary battery, a method of manufacturing the same, and an electrochemical device having the same.

최근, 전자기기의 소형화, 박형화 및 경량화가 급속도로 이루어지고 있으며, 특히 사무자동화 분야에 있어서는 데스크탑형 컴퓨터에서 랩탑형, 노트북형 컴퓨터로 소형 경량화되고 있다. 또한, 전자 수첩, 전자스틸 카메라 등이 출현하면서 종래의 하드디스크, 플로피디스크의 소형화와 더불어 새로운 소형 메모리미디어인 메모리카드의 연구도 진행되고 있다.In recent years, the miniaturization, thinning, and weight reduction of electronic devices have been made rapidly, and in the field of office automation, in particular, small size and light weight have been reduced from desktop computers to laptop and notebook computers. In addition, with the emergence of electronic notebooks, electronic still cameras, and the like, the miniaturization of conventional hard disks and floppy disks, and the development of memory cards, which are new small memory media, are also in progress.

이와 같은 전자기기의 경박단소화 경향에 맞추어 이들에게 전력을 공급하는 전기화학소자에 대해서도 고성능화가 요구되고 있는데, 이러한 요구에 가장 잘 부합하는 전지가 리튬이차전지이다.In accordance with the tendency of light and short of electronic devices, high performance is also required for electrochemical devices that supply power to them. Lithium secondary batteries are the batteries that best meet these requirements.

리튬이차전지는 전해질 구성형태에 따라 액체 전해질로 이루어진 리튬이온전지와, 고체 혹은 겔 고분자 전해질로 이루어진 리튬고분자전지로 구별되고 있으며, 전지별로 고분자 재질과 구조가 다른 분리막을 사용한다.Lithium secondary batteries are classified into lithium ion batteries made of a liquid electrolyte and lithium polymer batteries made of a solid or gel polymer electrolyte according to the electrolyte composition, and a separator having a different polymer material and structure is used for each battery.

리튬이온전지는 폴리에틸렌[poly(ethylene):PE], 폴리프로필렌[poly(propylene):PP]과 같은 단독중합체나, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체, 에텔렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 공중합체로 이루어진 폴리올레핀계 고분자로 제조된 미세다공성 필름을 분리막으로 사용하고 있다. 분리막은 필요에 따라 단층구조로 이루어지거나 또는 PE/PP, PP/PE/PP와 같이 다층구조로 형성된다. 그러나, 폴리올레핀계 분리막은 전해액과 친화성이 없기 때문에 액체 전해질의 누액으로 캔 이외의 다양한 형태의 전지를 제조할 수 없는 단점이 있다.Lithium ion batteries are homopolymers such as polyethylene [poly (ethylene): PE], polypropylene [poly (propylene): PP], ethylene / butene copolymers, ethylene / hexene copolymers, ethylene / methacrylate copolymers. A microporous film made of a polyolefin-based polymer made of a copolymer such as is used as a separator. If necessary, the separator may have a single layer structure or a multilayer structure such as PE / PP and PP / PE / PP. However, since the polyolefin-based separator has no affinity with the electrolyte, there is a disadvantage in that various types of batteries other than cans cannot be manufactured by leakage of the liquid electrolyte.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, 함침된 전해액과 친화성을 갖는 겔형 고분자 전해질막이 제안되었다.In order to overcome this problem, a gel polymer electrolyte membrane having affinity with the impregnated electrolyte has been proposed.

겔형 고분자 전해질막은 폴리비닐리덴플루오라이드[poly(vinylidene fluoride);PVDF]계, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르 프로필렌[poly(vinylidenefluoride)-co-(hexafluoropropylene);P(VDF-HFP)]공중합체, 폴리아크릴로니트릴[poly (acrylonitrile);PAN]계, 폴리에틸렌옥사이드[poly(ethylene oxide);PEO]계, 아크릴레이트[acrylate]계 등의 고분자로부터 상전이(phase inversion)법, 용액캐스팅(solution cating)법, 내부가교(in-situ crosslinking)법, 용융(hot melting)법 등을 이용하여 제조된다.The gel polymer electrolyte membrane is polyvinylidene fluoride [poly (vinylidene fluoride); PVDF] type, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (poly (vinylidenefluoride) -co- (hexafluoropropylene); P (VDF-HFP)] copolymer , Phase inversion method, solution cating from polymers such as poly (acrylonitrile), PAN, poly (ethylene oxide), PEO, and acrylate ) Method, in-situ crosslinking method, hot melting method and the like.

상전이법에 의한 PVDF계 겔 고분자 전해질의 제조방법으로는 벨코아(Bellcore)사[현재, 텔코디아 테크놀러지스(Telcordia Technologies)사]의 공정기술이 대표적이다. 즉, 미국특허 제5,456,000호 및 제6,322,923호에는 디부틸프탈레이트(dibuthyl phthalate;DBP)가소제가 첨가된 P(VDF-HFP) 공중합체의 고분자막을 제조한 다음, 이 막을 음극과 양극 사이에 삽입하여 라미네이션시키고, 이어서 가소제 추출공정을 거쳐 막을 다공화시키고 건조한 후, 무수분위기하에서 전해액 주입공정을 거쳐 셀을 제조하는 방법이 개시되어 있다.As a method for producing a PVDF-based gel polymer electrolyte by a phase transfer method, a process technology of Belcore (now, Telcordia Technologies) is representative. That is, U.S. Patent Nos. 5,456,000 and 6,322,923 have prepared a polymer film of a P (VDF-HFP) copolymer to which a dibutyl phthalate (DBP) plasticizer was added, and then inserted the membrane between a cathode and an anode to laminate A method of producing a cell is then carried out through a plasticizer extraction process to make the membrane porous and dried, and then subjected to an electrolyte solution injection process under anhydrous atmosphere.

또한, 미국특허 제5,429,891호에는 P(VDF-HFP) 공중합체에 실리카 무기충진재와, 트리메티롤프로판 트리메타크릴레이트(trimethylolpropane trimethacrylate), 트리메티롤프로판 트리아크릴레이트(trimethylolpropane triacrylate), 또는 글리세롤 트리메타크릴레이트(glycerol trimethacrylate)와 같은 가교제를 함께 투입하여 필름 캐스팅한 후 건조하고, 전자 빔을 조사하여 3차원 가교결합시키므로서 전해질 막을 제조하는 방법이 개시되어 있다.U.S. Patent No. 5,429,891 also discloses a silica inorganic filler in P (VDF-HFP) copolymer, trimethylolpropane trimethacrylate, trimethylolpropane triacrylate, or glycerol triglyceride. Disclosed is a method of preparing an electrolyte membrane by adding a crosslinking agent such as glycerol trimethacrylate, film casting, drying, and three-dimensional crosslinking by irradiation with an electron beam.

또한, 대한민국 공개특허 제2002-0069601호에는 PVDF 또는 P(VDF-HFP) 공중합체, 다공성 실리카 및 가소제를 아세톤에 용해시킨 다음 PET 필름 위에 도포하여 건조하고, 가소제를 추출하여 다공성 고분자막을 형성시키고, 이어서 고분자막 위에 니트릴계 열경화성 고분자를 도포 혹은 적하하여 막을 제조한 다음, 막을 음극과 양극 사이에 위치시킨 후 열과 압력을 가해서 음극/고분자막/양극을 일체화시킨 겔 고분자 전해질의 제조방법이 개시되어 있다.In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2002-0069601 discloses a PVDF or P (VDF-HFP) copolymer, a porous silica and a plasticizer dissolved in acetone, and then coated and dried on a PET film to extract a plasticizer to form a porous polymer membrane. Next, a method of preparing a gel polymer electrolyte in which a nitrile-based thermosetting polymer is coated or dropped on a polymer membrane to prepare a membrane, and then the membrane is placed between a cathode and an anode, and heat and pressure are applied to integrate the cathode / polymer membrane / anode is disclosed.

그러나, 이러한 겔형 고분자 전해질은 막의 기계적 강도가 낮아 전지제조과정에서 공정속도를 증가시키는데 한계가 있을 뿐만 아니라, 가소제 추출공정이 추가되는 등 전지의 제조공정이 복잡하고, 분리막 내로 전해액이 불균일하게 침투되는 문제점이 있다.However, the gel polymer electrolyte has a limitation in increasing the process speed in the battery manufacturing process due to the low mechanical strength of the membrane, as well as the complicated manufacturing process of the battery, such as the addition of a plasticizer extraction process, the electrolyte is unevenly penetrated into the separator. There is a problem.

이러한 문제점을 개선시키기 위하여, 폴리올레핀계 다공성 막을 강도지지층으로 하고, 지지층 막의 양면, 또는 단면에 전해질 흡수층으로 PVDF계 고분자를 도포, 또는 적층시킨 다성분계 복합 고분자 전해질 막이 제안되었다.In order to improve this problem, a multicomponent composite polymer electrolyte membrane in which a polyolefin-based porous membrane is used as a strength support layer and a PVDF polymer is coated or laminated on both surfaces or one end of the support layer membrane has been proposed.

예를 들어, 미국특허 제5,681,357호, 미국특허 제5,688,293호 및 미국특허 제5,716,421호에는 폴리올레핀계 다공성 분리막을 중합 조성물에 침지하거나 코팅시켜 복합하이브리드 전해질을 제조하고, 패키징 공정중 가한 열과 압력으로 중합 조성물이 중합되면서 전극과 결합되는 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 패키징 공정중 가한 열과 압력은 전지의 패키징을 손상시킬 뿐만 아니라, 큐어링중 조성물로부터 가스가 발생되는 문제점이 있다.For example, US Pat. No. 5,681,357, US Pat. No. 5,688,293 and US Pat. No. 5,716,421 produce a composite hybrid electrolyte by immersing or coating a polyolefin-based porous separator in a polymerization composition, and polymerizing the composition with heat and pressure applied during the packaging process. Disclosed is a manufacturing method in which the polymer is bonded to the electrode while the polymerization is performed. However, the heat and pressure applied during the packaging process not only impair the packaging of the cell, but also cause the problem that gas is generated from the composition during curing.

또한, 미국특허 제5,853,916호에는 다공성 겔화 PVDF계 고분자 층과 미세다공성 비겔화 고분자 층을 서로 적층하여 제조한 다층 고분자 겔 전해질이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 다공성 겔화 막은 기공도가 낮기 때문에 전해질 함유율을 높일 수 없는 문제점이 있다.In addition, US Patent No. 5,853,916 discloses a multilayer polymer gel electrolyte prepared by laminating a porous gelation PVDF-based polymer layer and a microporous non-gelling polymer layer. However, such a porous gelling membrane has a problem in that the electrolyte content cannot be increased because of its low porosity.

또한, 대한민국 공개특허 제2000-0077418호에는 음극과 양극에 각각 전해질을 도포하고, 그 사이에 폴리올레핀계 분리막, 즉 다공성 폴리에틸렌(PE) 필름 혹은 폴리에틸렌/폴리프로필렌(PE/PP)으로 이루어진 2층 구조의 다공성 필름을 삽입시켜 고분자 전해질의 낮은 기계적 강도를 개선하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 전극에 도포된 겔 전해질은 수분에 민감하게 반응하기 때문에 무수분위기 하에서 공정을 진행시켜야하는 문제점이 있으며, 전극 양쪽에 모두 겔 전해질층을 도포하여야 하기 때문에 박형의 전지를 제조하기 어렵다.In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2000-0077418 applies an electrolyte to a cathode and an anode, respectively, and a two-layer structure consisting of a polyolefin-based separator, that is, a porous polyethylene (PE) film or polyethylene / polypropylene (PE / PP). A method of improving the low mechanical strength of a polymer electrolyte by inserting a porous film of is disclosed. However, since the gel electrolyte applied to the electrode reacts sensitively to moisture, there is a problem in that the process must be carried out in an anhydrous atmosphere, and since the gel electrolyte layer must be coated on both electrodes, it is difficult to manufacture a thin battery.

WO 99/54953호에는 아세톤과 n-메틸피롤리돈(NMP;n-methyl pyrrolidone) 혼합용매에 리튬혼합물을 함유하고있는 고분자 현탁용액, 예를들면 리튬포스포헥사플루오라이드(LiPF6; lithiumphosphohexafluoride)와 같은 리튬염을 함유하고있는 폴리에틸렌옥사이드(PEO;polyethylene oxide) 현탁용액, 리튬염을 함유하고있는 폴리플루오라이드(PVDF;polyvinylidene fluoride) 현탁용액, 또는 리튬염을 함유하고있는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA;polymethyl methacrylate) 현탁용액을 미세다공성 폴리프로필렌(PP) 필름이나 PP/PE/PP로 이루어진 다층구조의 미세 다공성 라미네이트 필름에 코팅한 후 건조하여 복합 고분자 전해질을 제조하고, 제조된 복합 고분자 전해질 막을 양극과 음극의 전극사이에 위치시킨 다음 이들을 유기 전해액 용액에 침지시켜 최종적으로 전지를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 복합 고분자 전해질중 코팅한 고분자층이 입자상이기 때문에 유기 전해액 흡수시간이 오래 걸리고, 함침에 따른 불균일한 겔화층이 형성되는 문제점이 있다.WO 99/54953 discloses polymer suspensions containing lithium mixtures in acetone and n-methyl pyrrolidone (NMP) mixed solvents, for example lithium phosphohexafluoride (LiPF 6 ). Polyethylene oxide (PEO) suspension solution containing lithium salt, polyvinylidene fluoride (PVDF) suspension solution containing lithium salt, or polymethyl methacrylate containing lithium salt ( PMMA; polymethyl methacrylate) suspension solution is coated on a microporous polypropylene (PP) film or a multi-layered microporous laminate film made of PP / PE / PP and dried to prepare a composite polymer electrolyte, and the prepared composite polymer electrolyte membrane A method of finally manufacturing a battery is disclosed by placing it between an electrode of a positive electrode and a negative electrode and then immersing them in an organic electrolyte solution. . However, since the polymer layer coated in the composite polymer electrolyte is particulate, it takes a long time to absorb the organic electrolyte, and there is a problem in that a non-uniform gelling layer is formed by impregnation.

이와 같이, 강도 지지층에 PVDF계 겔화 고분자층을 도포하거나 막 형태로 적층, 접합하여 구성시킨 종래의 복합 다성분계 분리막은 도포한 전해질 흡수층이 내부기공을 가지고 있지않아 전해질을 주입시 흡수속도가 낮을 뿐만 아니라, 전해질의 불균일한 흡수로 인하여 전지성능이 저하되는 문제점이 있다.As described above, the conventional composite multicomponent separator formed by coating a PVDF-based gelling polymer layer on the strength support layer or by laminating and bonding in a membrane form has a low absorption rate when the electrolyte is injected since the electrolyte absorbing layer does not have internal pores. However, there is a problem in that battery performance is lowered due to non-uniform absorption of the electrolyte.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전해액을 균일하게 흡수하여 전기화학소자에 사용시 전지의 성능이 크게 향상될 뿐만 아니라, 기계적 강도가 우수하고 전극과의 결착력이 양호하여 전지 제조의 공정속도를 증대시킬 수 있는 전기화학소자용 복합막, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자를 제공하는데 있다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention was devised to solve the above problems, uniformly absorb the electrolyte solution when used in the electrochemical device not only greatly improve the performance of the battery, but also excellent mechanical strength and binding force with the electrode The present invention provides a composite membrane for an electrochemical device, a method for manufacturing the same, and an electrochemical device having the same, which can increase a process speed of battery manufacturing.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to

도 1은 본 발명의 전기화학소자용 복합막을 구성하는 나노섬유로 이루어진 웹상의 다공성 막을 제조하기 위한 전기방사장치의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도.1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of an electrospinning apparatus for producing a porous membrane on a web made of nanofibers constituting the composite membrane for an electrochemical device of the present invention.

도 2는 본 발명의 전기화학소자용 복합막을 구성하는 나노섬유로 이루어진 웹상의 다공성 막을 제조하기 위한 수직형 전기방사장치의 구성을 개략적으로 도시한 수직형 전기방사장치 구성도.Figure 2 is a schematic view showing the configuration of a vertical electrospinning apparatus for producing a vertical electrospinning apparatus for producing a porous film on the web consisting of nanofibers constituting the composite membrane for an electrochemical device of the present invention.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명><Description of main reference numerals in the drawings>

10...용액공급부 11...용액분배부 12...방사노즐팩10 Solution solution 11 Solution distribution 12 Radiation nozzle pack

12a...방사노즐 14...전압인가부 15a, 15b...제트스트림 제어부12a Radiation nozzle 14 Voltage application 15a, 15b Jet stream control

16a, 16b....스트림 유도부 17..컬렉터 18...공기주입부16a, 16b..stream induction part 17.collector 18.air injection part

19...용매배기부 20...집적 대상물19 Solvent exhaust 20 Condensed object

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 강도지지체 및 이 강도지지체의 적어도 일면 이상에 접합되는 고분자 웹상의 전기방사막(electrospinning membrane)으로 구성되는 전기화학소자용 복합막을 제공한다.이때, 상기 강도지지체는 평균기공크기가 0.005 ~ 3㎛이고, 공극율이 30 ~ 80%이며, 기계적 방향의 인장강도가 700kg/㎠ 이상이고, 횡방향의 인장강도가 150kg/㎠ 이상인 폴리올레핀계 미세 다공성막이다.또한, 상기 전기방사막은, 평균흐름 기공크기(MFPS)가 0.01 ~ 3㎛이고, 공극율이 60 ~ 95%가 되도록 전기방사에 의해 직경이 50 ~ 2,000nm인 나노섬유를 집적시킨 웹상의 다공성막이다.따라서, 본 발명에 따른 복합막은 평균흐름 기공크기가 0.01 ~ 1.5㎛이고, 공극율이 40% 이상이며, 기계적 방향의 인장강도가 1,000kg/㎠ 이상이고, 횡방향의 인장강도가 100kg/㎠ 이상인 두께 5 ~ 70㎛의 다층막이 된다.In order to achieve the above object, the present invention provides a composite membrane for an electrochemical device composed of a strength support and an electrospinning membrane on a polymer web bonded to at least one surface of the strength support. The strength support is a polyolefin microporous membrane having an average pore size of 0.005 to 3 µm, a porosity of 30 to 80%, a tensile strength of 700 kg / cm 2 or more in the mechanical direction, and a tensile strength of 150 kg / cm 2 or more in the transverse direction. In addition, the electrospinning film is a porous film on a web in which nanofibers having a diameter of 50 to 2,000 nm are integrated by electrospinning so that the average flow pore size (MFPS) is 0.01 to 3 µm and the porosity is 60 to 95%. Therefore, the composite membrane according to the present invention has an average flow pore size of 0.01 to 1.5 μm, a porosity of 40% or more, a tensile strength of 1,000 kg / cm 2 or more in the mechanical direction, and a tensile strength of 100 kg / cm 2 in the lateral direction. More than It becomes a multilayer film with phosphorus thickness of 5-70 micrometers.

또한, 상기 폴리올레핀계 미세 다공성막은 폴리에틸렌계 고분자 및/또는 폴리프로필렌계 고분자로 이루어진 적어도 일층 이상의 막으로 구성된다.본 발명의 다른 일 양태로서의 전기화학소자용 복합막의 제조방법은 (a) 평균기공크기가 0.005 ~ 3㎛이고, 공극율이 30 ~ 80%이며, 기계적 방향의 인장강도가 700kg/㎠ 이상이고, 횡방향의 인장강도가 150kg/㎠ 이상인 두께 5 ~ 50㎛의 폴리올레핀계 미세 다공성막을 준비하는 단계; (b) 상기 폴리올레핀계 미세 다공성막의 일면 및/또는 양면에, 직경 50 ~ 2,000nm인 나노섬유를 전기방사(electrospinning)함으로써 고분자 웹상의 다공성막(두께가 50㎛ 이하이고, 평균흐름 기공크기(MFPS)가 0.01 ~ 2㎛이고, 공극율이 60 ~ 95%인 다공성막)을 적층하는 단계; 및 (c) 상기 (b)단계의 결과물에 소정의 압력과 온도를 가하여 상기 폴리올레핀계 미세다공성 막과 웹상의 다공성막을 라미네이션시키는 단계를 포함한다.In addition, the polyolefin-based microporous membrane is composed of at least one or more layers made of polyethylene-based polymer and / or polypropylene-based polymer. In another aspect of the present invention, the method for preparing a composite membrane for an electrochemical device includes (a) an average pore size. Preparing a polyolefin-based microporous membrane having a thickness of 5 to 50 µm having a thickness of 0.005 to 3 µm, a porosity of 30 to 80%, a tensile strength of 700 kg / cm 2 or more in the mechanical direction, and a tensile strength of 150 kg / cm 2 or more in the transverse direction step; (b) Electrospinning nanofibers having a diameter of 50 to 2,000 nm on one side and / or both sides of the polyolefin-based microporous membrane to form a porous membrane on a polymer web (thickness of 50 μm or less and average flow pore size (MFPS). ) Porous layer having a porosity of 60 to 95% and 0.01 to 2㎛); And (c) laminating the polyolefin-based microporous membrane and the porous membrane on the web by applying a predetermined pressure and temperature to the resultant of step (b).

본 발명의 또 다른 일 양태는 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터(separator) 및 유기 전해액을 케이스내에 수용하고 있는 전기화학소자에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to an electrochemical device containing a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an organic electrolyte solution in a case.

이하 본 발명의 전기화학소자용 복합막, 그 제조방법 및 이를 구비한 전기화학소자에 대하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a composite membrane for an electrochemical device, a method of manufacturing the same, and an electrochemical device having the same will be described in detail.

본 발명의 전기화학소자용 복합막은 폴리올레핀계 미세다공성 막을 구비하는데, 이는 복합막의 강도를 지지하는 역할을 한다. 강도 지지층 막으로서 요구되는 첫 번째 성질은 기계적 강도이다. 즉, 양극과 음극의 단락방지를 위하여 뚫림 혹은 관통(puncture)강도가 높아야하고, 전지 제조공정 속도를 증가시키기 위하여 인장강도가 높아야하며, 막의 열수축과 같은 열변형율이 작아야한다. 또한, 전지의 폭발과 같은 안정성 문제를 고려한다면, 지지체로서의 막 구성은 특정한 온도에서 기공이 폐쇄될 수 있도록 작동정지(shut down) 기능을 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 셧다운 기능이란, 전지의 물리적 손상, 내부 결함 또는 과충전에 따른 단락으로부터 발생할 수 있는 열적폭주를 제어하기 위한 수단으로서, 특정온도(90~120℃)에서 공극이 대부분 폐쇄됨으로써 이온 혹은 전류흐름이 차단되는 기능을 말한다. 이러한 기능을 수행할 수 있는 막 형성 재료로서 폴리올레핀계 고분자가 적합하다. 예를 들면, PP/PE/PP 막의 경우, PE층이 특정한 온도에서 용융되어 기공이 폐쇄되기 때문에 셧다운 기능을 갖추게 된다. 본 발명의 복합막에 사용되는 폴리올레핀계 고분자로는 폴리에틸렌계 고분자 또는 폴리프로필렌계 고분자가 적합하며, 예를 들어, 일축 혹은 이축연신한 PE 단독막, PP 단독막, PE/PP 2층 구조막, PP/PE/PP 3층 구조막, 혹은 PE와 PP로 이루어진 복합 다층구조를 갖는 폴리올레핀계 다공성 막 필름 또는 부직포, 필름 위에 동종의 부직포를 라미네이트한 복합 구성물, 폴리아미드계 다공성 막 필름 혹은 부직포, 또는 폴리에스테르계 다공성 막 필름 혹은 부직포 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 양전극간의 단락방지를 위하여 셧다운 기능을 갖는 PE 단독막, PE/PP 2층 구조막, PP/PE/PP 3층 구조막의 다공성 폴리올레핀계 막 필름을 사용한다. 이러한 폴리올레핀계 미세다공성 막은 유럽특허 제1,146,577호, 미국특허 제6,368,742호, 미국특허 제5,691,077호, 미국특허 제6,180,280호, 미국특허 제5,667,911호, 미국특허 제 6,080,507호에 개시된 종래의 방법중 한가지 방법으로 제조된 막이 제공될 수 있다. 본 발명의폴리올레핀계 미세다공성 막으로는 시판되는 폴리올레핀계 미세 다공성 필름을 사용할 수 있다. 예를들면, Celgard사의 Celgard 필름(PE막, PP막, PP/PE/PP 삼중층막) 혹은 아사히카자에이(Asahi Kasaei)사의 Hipore 필름(PE), Tonen/ExxonMobil사의 Setela 필름(PE), Entek International사의 Teklon 필름(PE)등이 강도지지층 역할을 하는 폴리올레핀계 미세다공성 막으로 제공될 수 있다.The composite membrane for an electrochemical device of the present invention includes a polyolefin-based microporous membrane, which serves to support the strength of the composite membrane. The first property required as a strength support layer film is mechanical strength. That is, the puncture or puncture strength must be high to prevent the short circuit of the positive electrode and the negative electrode, the tensile strength must be high to increase the speed of the battery manufacturing process, and the thermal strain such as the thermal contraction of the membrane must be small. Also, considering stability issues such as battery explosion, it is desirable that the membrane configuration as a support has a shut down function so that pores can be closed at a particular temperature. Here, the shutdown function is a means for controlling thermal runaway that may occur due to battery physical damage, internal defects or short circuits due to overcharging. As a result, most of the pores are closed at a specific temperature (90 to 120 ° C.) to reduce ion or current flow. Refers to the function being blocked. As the film forming material capable of performing such a function, a polyolefin-based polymer is suitable. For example, in the case of PP / PE / PP membranes, the PE layer is melted at a certain temperature and the pores are closed, thereby providing a shutdown function. Polyolefin-based polymers or polypropylene-based polymers are suitable as the polyolefin-based polymers used in the composite membrane of the present invention. For example, uniaxial or biaxially-stretched PE monolayers, PP monolayers, PE / PP two-layer structure membranes, PP / PE / PP three-layer structure film, or polyolefin-based porous membrane film or nonwoven fabric having a composite multilayer structure composed of PE and PP, a composite material laminated with the same nonwoven fabric on the film, a polyamide-based porous membrane film or nonwoven fabric, or Polyester-based porous membrane film or nonwoven fabric may be used. Preferably, a porous polyolefin-based membrane film of a PE single membrane, a PE / PP two-layer structure film, and a PP / PE / PP three-layer structure film having a shutdown function is used to prevent a short circuit between the positive electrodes. Such a polyolefin-based microporous membrane is one of the conventional methods disclosed in EP 1,146,577, US 6,368,742, US 5,691,077, US 6,180,280, US 5,667,911, US 6,080,507. The membrane produced can be provided. As the polyolefin-based microporous membrane of the present invention, a commercially available polyolefin-based microporous film can be used. For example, Celgard's Celgard Film (PE film, PP film, PP / PE / PP triple layer film) or Hipore of Asahi Kasaei Film (PE), Setela of Tonen / ExxonMobil Film (PE), Teklon from Entek International The film PE may be provided as a polyolefin-based microporous membrane serving as a strength support layer.

본 발명의 복합막에서 사용되는 폴리올레핀계 미세다공성 막의 두께는 5 ~ 50㎛, 공극율(porosity, 기공도)[공극률(porosity(%))=1-(막의 겉보기 밀도/수지밀도)x100]은 30 ~ 80%인 것이 바람직하다. 또한, 인장강도는 기계적 방향(MD)으로 700㎏/㎠ 이상, 횡방향(CD)으로 150㎏/㎠ 이상, 뚫림강도는 밀(mil, 1mil=25.4㎛)당 200g이상, 수축율은 100℃에서 1시간 동안 10%미만, 평균기공크기는 0.005 ~ 3㎛의 물리적 특성과 전기저항이 130 ~ 185℃에서 10,000Ω-cm2이상인 전기적 특성을 갖는 것이 전기화학소자용으로 사용하기에 특히 적합하다.The thickness of the polyolefin microporous membrane used in the composite membrane of the present invention is 5 to 50 µm, porosity (porosity) (porosity (%)) = 1- (membrane density / resin density) x100] is 30 It is preferable that it is -80%. In addition, the tensile strength is 700 kg / cm 2 or more in the mechanical direction (MD), 150 kg / cm 2 or more in the transverse direction (CD), the punching strength is 200 g or more per mil (mil, 1 mil = 25.4 μm), and the shrinkage ratio is 100 ° C. Less than 10% for 1 hour, the average pore size is 0.005 ~ 3㎛ physical properties and electrical resistance is 130 ~ 185 ℃ more than 10,000Ω-cm 2 It is particularly suitable for use for electrochemical devices.

전술한 폴리올레핀계 미세다공성 막의 일면 또는 양면에는 나노섬유로 이루어진 웹상의 다공성 막이 접합된다.One or both surfaces of the aforementioned polyolefin-based microporous membrane are bonded to a porous membrane on a web made of nanofibers.

나노섬유로 이루어진 웹상의 다공성 막은 폴리비닐리덴 플루오라이드[poly(vinylidene fluoride); PVDF], 혹은 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르 프로필렌 공중합체[poly(vinylidene)-co-(hexafluoropropylene); P(VDF-HFP)], 혹은 이들의 복합조성물, 또는 폴리아크릴로니트릴[poly(acrylonitrile);PAN], 폴리비닐리덴 클로라이드-아크릴로니트릴 공중합체[poly(vinylidene)-co-(acrylonitrile); P(VDF-AN)], 폴리에틸렌옥사이드[poly(ethylene oxide);PEO], 폴리우레탄[poly(urethane);PU], 폴리메틸아크릴레이트[poly(methylacrylate)], 폴리메틸메타크릴레이트[poly(methyl methacrylate);PMMA], 폴리아크릴아미드[poly(acrylamide);PAA], 폴리비닐클로라이드[poly(vinyl chloride);PVC], 폴리비닐아세테이트[poly(vinylacetate); PVAc], 폴리비닐피롤리돈[poly(vinylpyrrolidone)], 폴리테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(polytetraethylene glycol diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트[poly(ethylene glycol dimethacrylate;PEGDMA], 아크릴레이트[acrylate]계 혹은 이들의 공중합체, 셀룰로오스(cellulose), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 또는 상기 고분자의 복합물로 이루어진 고분자(바람직하게는 전극의 바인더와 동질의 고분자인 PVDF계 고분자, 혹은 이를 포함하는 복합 고분자) 용액을 전기방사(electrospinning 또는 electrostatic spinning)하여 얻을 수 있다. 고분자 용액 제조시 결과물의 기계적 강도를 높이기 위하여 실리콘옥사이드(SiO2), 티타늄옥사이드(TiO2), 알루미늄옥사이드(Al2O3), BaTiO3, LiO2, LiF, LiOH, LiN, BaO, Na2O, MgO, Li2CO3, LiAlO3, PTFE, 혹은 이들의 혼합물과 같은 충진재를 고분자 용액에 추가할 수 있다. 충진재의 양은 무게비로 구성 고분자 대비 20% 미만으로 하는 것이 바람직하다.Porous membranes on the web of nanofibers include poly (vinylidene fluoride); PVDF], or polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer [poly (vinylidene) -co- (hexafluoropropylene); P (VDF-HFP)], or a composite composition thereof, or polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene chloride-acrylonitrile copolymer [poly (vinylidene) -co- (acrylonitrile); P (VDF-AN)], polyethylene oxide [poly (ethylene oxide); PEO], polyurethane [poly (urethane); PU], polymethyl acrylate [poly (methylacrylate)], polymethyl methacrylate [poly ( methyl methacrylate); PMMA], polyacrylamide; PAA, polyvinyl chloride; PVC, polyvinylacetate; PVAc], poly (vinylpyrrolidone), polytetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate [poly (ethylene glycol dimethacrylate; PEGDMA], acrylate [acrylate] type Or a solution of a copolymer thereof, cellulose, cellulose acetate, or a composite of the polymer (preferably a PVDF-based polymer that is homogeneous with the binder of the electrode, or a composite polymer including the same) It can be obtained by electrospinning or electrostatic spinning in order to increase the mechanical strength of the resulting polymer solution in the preparation of silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), BaTiO 3 , for LiO 2, LiF, LiOH, LiN , BaO, Na 2 O, MgO, Li 2 CO 3, LiAlO 3, PTFE, or a filler, such as mixtures of these polymers Can be added in. Is preferred to be less than 20% compared to the configuration with a polymer weight ratio to the amount of the filling material.

전기방사법의 기본적 메카니즘은 이미 여러 문헌에 소개되고 있다 ([J.M.Deitzel, J.D.Kleinmeyer, J.K.Hirvonen, N.C.Beck Tan, Polymer42, 8163-8170(2001)], [J.M.Deitzel, J.D.Kleinmeyer, D.Harris, N.C.Beck Tan, Polymer42, 261-272(2001)], [Y.M.Shin, M.M.Hohman, M.P.Brenner, G.C.Rutledge, Polymer42, 9955-9967(2001)]).The basic mechanism of electrospinning has already been introduced in the literature (JMDeitzel, JDKleinmeyer, JKHirvonen, NCBeck Tan, Polymer 42 , 8163-8170 (2001)), JMDeitzel, JDKleinmeyer, D. Harris, NCBeck Tan, Polymer 42 , 261-272 (2001), YMShin, MMHohman, MPBrenner, GCRutledge, Polymer 42 , 9955-9967 (2001).

전기방사법의 기본원리에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The basic principle of the electrospinning method will be described in detail as follows.

전기방사는 수천 내지 수만볼트의 양극성[(+)] 혹은 음극성[(-)]의 고전압을 직접 인가하여 고분자 용액을 하전시킨 후, 하전된 용액을 캐피러리형 노즐을 통하여 공기층으로 토출시키고, 토출된 하전 필라멘트는 공기층에서 인접 필라멘트간 상호반발등으로 연신 및 분기를 거치면서 수십 나노미터 내지 수천 나노미터의 직경을 갖는 극세섬유가 제조되는 방사방법이다. 이때, (+) 혹은 (-) 전하로 대전된 극세섬유는 전위차를 갖도록 접지되거나, 혹은 반대 극성으로 대전된 컬렉터 위에 집적됨으로써 웹 구조의 다공성 막이 제조된다[P.K. Baumgarten, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 36, No. 1, 71(1971); G.Taylor, Proc. Roy. Soc. London A, 313, 453(1969); D.H. Reneker, A.L. Yarine, H. Fong, and S. Koombhongse, J Applied Physics, 876(190, 909(2000); J. Doshi and D.H. Reneker, J. Electrostatics, 35, 151(1995)].Electrospinning is directly applied a high voltage of positive or negative polarity ((+)) of thousands to tens of thousands of volts to charge the polymer solution, and then discharge the charged solution to the air layer through the capillary nozzle, The discharged charged filament is a spinning method in which ultrafine fibers having a diameter of several tens of nanometers to several thousand nanometers are manufactured while being stretched and branched by mutual repulsion between adjacent filaments in the air layer. At this time, the microfibers charged with the (+) or (-) charge are grounded to have a potential difference, or are integrated on the collector charged with the opposite polarity to prepare a porous membrane of the web structure [P.K. Baumgarten, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 36, No. 1, 71 (1971); G. Taylor, Proc. Roy. Soc. London A, 313, 453 (1969); D.H. Reneker, A.L. Yarine, H. Fong, and S. Koombhongse, J Applied Physics, 876 (190, 909 (2000); J. Doshi and D. H. Reneker, J. Electrostatics, 35, 151 (1995)).

이러한 전기방사법을 구현하는 전기방사장치의 예가 대한민국 특허 출원번호 제10-2002-48594호에 자세히 기재되어있다. 첨부한 도 1을 참조하여 전기방사장치를 설명하면 다음과 같다.An example of an electrospinning apparatus for implementing such an electrospinning method is described in detail in Korean Patent Application No. 10-2002-48594. Referring to the attached electrospinning Figure 1 as follows.

전기방사장치는 섬유원료가 되는 고분자 물질이 용해된 용액을 공급하기 위한 용액공급부(10); 상기 용액공급부로부터 용액을 공급받아 필라멘트 형태로 토출하게 되는 복수개의 방사노즐(12a)로 이루어지는 방사노즐팩(12); 상기 방사노즐팩으로 소정의 전압을 인가하여 상기 용액을 하전시키는 전압인가부(14); 상기 방사노즐팩을 사이에 두고 대칭을 이루며 설치되고, 상기 하전 필라멘트와 동일한 극성으로 인가 혹은 대전되도록 전압이 인가되어 노즐에서 토출된 제트 필라멘트가 균일한 방사상태를 갖도록 하는 한편, 하전 필라멘트의 하부 집적면을 제어하도록 하는 제트스트림 제어부(15a, 15b); 상기 방사노즐팩과 소정의 이격거리를 두며 하측에 설치되며, 상기 하전 필라멘트와 전위차가 발생되도록 접지설계되어 상기 방사노즐로부터 토출되는 하전 필라멘트가 그 상면에 집적되도록 하는 컬렉터(17); 상기 컬렉터로 토출되는 하전 필라멘트 스트림을 둘러싸도록 설치되는 한편, 필라멘트의 집적방향을 유도하여 균일한 적층이 되도록 설치된 다공의 스트림 유도부(16a, 16b); 상기 하전 필라멘트에 함유된 용매의 휘발도를 높이도록 상기 방사노즐팩과 컬렉터 사이의 공기층에 공기를 주입하기 위한 공급 원형 튜브관부(18); 및 상기 방사노즐팩과 컬렉터 사이의 공기층으로부터 용매를 흡입하여 배기하기위한 배기 원형 튜브관부(19);를 포함한다.Electrospinning is a solution supply unit for supplying a solution in which a polymer material to be a fiber raw material dissolved; A spinning nozzle pack (12) comprising a plurality of spinning nozzles (12a) for receiving a solution from the solution supply unit and discharging the solution in a filament form; A voltage applying unit 14 for charging the solution by applying a predetermined voltage to the spinning nozzle pack; It is installed in a symmetrical manner with the spinneret pack interposed therebetween, and a voltage is applied to apply or charge with the same polarity as the charged filament, so that the jet filament discharged from the nozzle has a uniform spinning state, while lowering integration of the charged filament. Jetstream controllers 15a and 15b for controlling the plane; A collector 17 installed at a lower side with a predetermined distance from the spinneret pack and grounded to generate a potential difference with the charged filament so that the charged filament discharged from the spinneret is integrated on an upper surface thereof; A porous stream guide unit (16a, 16b) installed to surround the charged filament stream discharged to the collector, and installed to form a uniform stack by inducing the filament integration direction; A supply circular tube tube portion 18 for injecting air into the air layer between the spinneret pack and the collector to increase the volatilization of the solvent contained in the charged filament; And an exhaust circular tube tube portion 19 for sucking and exhausting the solvent from the air layer between the spinneret pack and the collector.

공기층에서 분기되어 극세화된 하전 필라멘트는 컬렉터 위에 집적되거나, 혹은 컬렉터 위에 설치된 필름(20)이나 그라싱지 위에 집적될 수 있다.The finely charged filaments branched from the air layer may be integrated on the collector or on the film 20 or the grasping paper installed on the collector.

이렇게 집적된 웹상의 다공성 막을 구성하는 나노섬유는 직경이 50 내지 2,000nm인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 50 내지 1,500nm이다. 섬유직경이 지나치게 크면 중량대비 비표면적이 적어지고 이에 따라 막을 구성하는 기공 크기가 커지므로 전해액의 함유능 부족으로 누액이 발생할 수 있다.The nanofibers constituting the integrated porous film on the web are preferably 50 to 2,000 nm in diameter, and more preferably 50 to 1500 nm. If the fiber diameter is too large, the specific surface area is reduced with respect to the weight, and thus the pore size constituting the membrane is increased, and thus leakage may occur due to insufficient content of the electrolyte.

폴리올레핀계 미세다공성 막의 일면 또는 양면에 접합된 웹상의 다공성 막은 전해질을 균일하게 충분히 흡수하여 전기화학소자의 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 전극과의 결착력 또한 우수하여 공정속도를 향상시키게 된다. 웹(web)상의 다공성 막의 두께는 50㎛ 이하가 바람직한데, 최종적으로 제조하고자 하는 복합막의 총 두께를 고려하여 설정해야 하지만, 막이 지나치게 두꺼우면 얇은 전기화학소자를 제조하기 어렵다. 웹상의 다공성 막의 기공도는 60 ~ 95%인 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 기공도는 65 ~ 90%이다. 웹상의 다공성 막의 평균흐름 기공크기(MFPS)는 0.01 ~ 3㎛인 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 평균흐름 기공크기는 0.05 ~ 2㎛이다. 기공크기가 지나치게 작으면 전해액 함침시 전해액의 흡수속도가 느리고, 기공크기가 지나치게 크면 전해액의 누액현상이 일어날 수 있다.The porous membrane on the web bonded to one or both sides of the polyolefin-based microporous membrane can absorb the electrolyte uniformly and sufficiently to greatly improve the performance of the electrochemical device, and also have excellent binding power with the electrode to improve the process speed. The thickness of the porous membrane on the web (web) is preferably 50㎛ or less, but finally should be set in consideration of the total thickness of the composite membrane to be prepared, if the membrane is too thick it is difficult to manufacture a thin electrochemical device. The porosity of the porous membrane on the web is preferably 60 to 95%, more preferably 65 to 90%. The average flow pore size (MFPS) of the porous membrane on the web is preferably 0.01 to 3 μm, more preferably 0.05 to 2 μm. If the pore size is too small, the rate of absorption of the electrolyte is slow during impregnation of the electrolyte, and if the pore size is too large, leakage of the electrolyte may occur.

복합막을 구성하는 웹상의 다공성 막의 기계적 강도는 기계적 방향(MD)의 인장강도가 50kg/cm2이상이고, 횡방향(CD)의 인장강도가 20kg/cm2이상으로 높을수록 바람직하다. 특히, 막의 강도와 형태안정성을 부여하기 위하여 가압롤을 통과시키는 것이 바람직하다. 가압은 0.1~10kgf/cm의 압력범위에서 행한다. 가압 후 막의 두께 감소비는 10~60%로 하는 것이 바람직하다. 한편, 가압된 막은 추가적으로 연신단계를 거칠 수 있다. 연신은 일축 혹은 이축연신하여, 총 연신비를 1 ~ 20배로 하는 것이 바람직한데, 더욱 바람직한 연신비는 2~10배이다.The mechanical strength of the porous membrane on the web constituting the composite membrane is preferably 50 kg / cm 2 or more in the mechanical direction (MD), and 20 kg / cm 2 or more in the transverse direction (CD). In particular, it is preferable to pass the press roll in order to impart the strength and shape stability of the membrane. Pressurization is carried out in the pressure range of 0.1 ~ 10kgf / cm. The thickness reduction ratio of the film after pressurization is preferably 10 to 60%. On the other hand, the pressurized membrane may additionally go through the stretching step. Stretching is preferably uniaxial or biaxial stretching, and the total stretching ratio is preferably 1 to 20 times, more preferably 2 to 10 times.

이렇게 제조된 웹상의 다공성 막을 폴리올레핀계 미세다공성 막의 일면 또는 양면에 적층시킨 다음, 소정의 압력과 온도를 가하는 라미네이션 과정을 거쳐 두 막을 서로 접합시키므로서 본 발명의 전기화학소자용 복합막을 제조한다. 라미네이션은 선형 가압하중이 0.1~30kgf/cm이고, 구성 고분자의 용융점보다 3~30℃ 낮은 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 가압중 온도가 높으면, 막이 용융되고, 압력이 지나치게 높으면 기공도가 감소하여 바람직하지 않다. 웹상의 다공성 막은 폴리올레핀계 미세다공성 막 위에 직접 전기방사하여 웹상의 다공성 막을 적층시킨 후, 상기와 같은 조건으로 라미네이션시켜 형성할 수 있다. 이때, 폴리올레핀계 미세다공성 막은 컬렉터와 함께 이송시키거나, 컬렉터의 상면으로부터 1cm 이내로 이격, 통과시키면서 집적시킬 수 있다.The porous membrane on the web thus prepared is laminated on one or both sides of the polyolefin-based microporous membrane, and then the two membranes are bonded to each other through a lamination process applying a predetermined pressure and temperature, thereby manufacturing a composite membrane for an electrochemical device of the present invention. The lamination has a linear pressure load of 0.1 to 30 kgf / cm, preferably at a temperature of 3 to 30 ° C. lower than the melting point of the constituent polymer. If the temperature during the pressurization is high, the membrane melts, and if the pressure is too high, the porosity decreases, which is undesirable. The porous membrane on the web may be formed by laminating the porous membrane on the web by electrospinning directly onto the polyolefin-based microporous membrane and laminating under the above conditions. At this time, the polyolefin-based microporous membrane may be transferred together with the collector, or may be integrated while being spaced apart or passed within 1 cm from the upper surface of the collector.

이렇게 제조된 전기화학소자용 복합막은 웹상의 다공성 막/폴리올레핀계 미세다공성 막으로 이루어진 2층 구조의 복합막, 웹상의 다공성 막/폴리올레핀계 미세다공성 막/웹상의 다공성 막으로 이루어진 3층 구조의 복합막, 또는 웹상의 다공성 막과 폴리올레핀계 미세다공성 막이 교대로 적층되어 3층 이상으로 적층된 다층 복합막일 수 있다. 복합막의 기공도는 40%이상이 바람직한데, 기공도가 낮으면 전해액의 함침율이 낮아져 고성능 전지용 분리막으로 사용하기에 적합치 않게 된다.The composite membrane for an electrochemical device thus prepared is a composite of a two-layered composite membrane consisting of a porous membrane / polyolefin-based microporous membrane on a web, a porous membrane on a web / polyolefin-based microporous membrane / a porous membrane on a web. It may be a multilayer composite membrane in which a membrane or a porous membrane on a web and a polyolefin-based microporous membrane are alternately stacked and stacked in three or more layers. The porosity of the composite membrane is preferably 40% or more. If the porosity is low, the impregnation rate of the electrolyte is low, making the membrane unsuitable for use as a high performance battery separator.

복합막의 전체 두께는 5 ~ 70㎛로 하는 것이 바람직하다. 막의 두께가 5㎛ 보다 얇으면 필름강도가 약하여 전지제조 공정상 문제가 될 수 있고, 70㎛보다 두꺼우면 이온전도성이 떨어질 수 있다. 더욱 바람직한 두께는 10 ~ 30㎛이다. 인장강도는 기계적 방향으로 1000㎏/㎠이상, 횡방향으로 100㎏/㎠ 이상인 것이 바람직하다. 평균흐름 기공크기는 0.01 ~ 1.5㎛인 것이 바람직하다.It is preferable that the total thickness of a composite film shall be 5-70 micrometers. If the thickness of the film is thinner than 5㎛ may be a problem in the battery manufacturing process due to the film strength is weak, if the thickness is more than 70㎛ may decrease the ion conductivity. More preferable thickness is 10-30 micrometers. The tensile strength is preferably at least 1000 kg / cm 2 in the mechanical direction and at least 100 kg / cm 2 in the transverse direction. The average flow pore size is preferably 0.01 ~ 1.5㎛.

전술한 방법으로 제조된 복합막은 예를 들어 일반적인 전지제조공정에 따라 리튬이차전지용 전해질막으로 이용될 수 있으며, 리튬이차전지와 같은 전기화학소자를 제조하는데 사용된다. 복합막은 양극과 음극 사이에 개재되어 라미네이션 공정을 거쳐 전극과 막이 일체화된 전극 구조체를 형성하며, 이를 전지 케이스에 넣은 후 유기 전해액을 주입, 밀봉하여 전기화학소자를 제조한다. 이때, 웹상의 다공성 막은 전해액과의 친화성으로 인하여 전해액 주입 후 겔화 고분자층을 형성한다. 주입되는 유기 전해액은 유기용매에 리튬포스포헥사플루오라이드(LiPF6; lithiumphospho hexafluoride), 리튬퍼클로레이트(LiClO4; lithiumperchlorate), 리튬테트라플루오로보레이트(LiBF4; lithiumtetrafluoroborate), 리튬트리플루오로메탄설포네이트(LiCF3SO3; lithiumtrifluoromethanesulfonate)와 같은 리튬염이 용해된 상태이다. 유기용매는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate, DEC), 디프로필 카보네이트(dipropyl carbonate), 에틸메틸 카보네이트(ethylmethyl carbonate, EMC), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), 혹은 이러한 용매의 조합이 될 수 있다.The composite membrane prepared by the above-described method may be used as an electrolyte membrane for a lithium secondary battery according to a general battery manufacturing process, for example, and used to manufacture an electrochemical device such as a lithium secondary battery. The composite film is interposed between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode structure in which the electrode and the film are integrated through a lamination process. The composite membrane is placed in a battery case, and then injected and sealed with an organic electrolyte to manufacture an electrochemical device. At this time, the porous membrane on the web forms a gelling polymer layer after the injection of the electrolyte due to the affinity with the electrolyte. The injected organic electrolyte is lithium phospho hexafluoride (LiPF 6 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ; lithiumperchlorate), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ; lithiumtetrafluoroborate) and lithium trifluoromethanesulfonate in an organic solvent. Lithium salts such as (LiCF 3 SO 3 ; lithiumtrifluoromethanesulfonate) are dissolved. Organic solvents are propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethylmethyl Ethylene (ethylmethyl carbonate, EMC), γ-butyrolactone, or a combination of these solvents.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, the scope of the present invention should not be construed as limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

실시예Example

실시예에서 사용한 전기방사장치는 도 1에 도시된 장치를 사용하였는데 구체적인 스펙은 다음과 같다.The electrospinning apparatus used in the embodiment used the apparatus shown in FIG. 1, and specific specifications thereof are as follows.

방사용액은 정량펌프가 장착된 정밀이송장치에 의해서 탱크로부터 방사노즐 팩으로 이송된다. 방사노즐 팩은 팁의 내경 0.2mm, 외경 0.4mm, 모세관 길이 10mm인 캐피러리형 노즐이 설치되어있으며, 노즐 팁간의 간격은 26mm였다. 방사팩 간의 거리는 20cm로 하였다. 방사노즐 팩은 좌우로 분당 6m의 속도로 반복이동한다.The spinning solution is transferred from the tank to the spinning nozzle pack by a precision feeder equipped with a metering pump. The spinneret pack was equipped with a capillary nozzle with an inner diameter of 0.2 mm, an outer diameter of 0.4 mm and a capillary length of 10 mm, with a gap of 26 mm between nozzle tips. The distance between the spin packs was 20 cm. The spinneret pack moves repeatedly from side to side at a speed of 6 meters per minute.

각 방사노즐 팩은 방사용액이 하전되도록 고전압 발생장치부[DEL Global Technologies, 모델명: RLPS50-300P, 출력전압 50KV, 출력전류 3mA, (+)극성]에 연결되었다. 이때, 인가전압은 20~40kv의 (+)직류전압이다.Each spinneret pack was connected to a high voltage generator section (DEL Global Technologies, model name: RLPS50-300P, output voltage 50KV, output current 3mA, positive polarity) to charge the spinning solution. At this time, the applied voltage is a positive DC voltage of 20 ~ 40kv.

방사노즐 팩 좌우양측으로부터 3cm 떨어진 지점에 두께 0.4mm, 폭 40mm인 알루미늄 금속판으로 이루어진 제트스트림 제어판이 팩과 평행하게 수직방향으로 설치되었다. 이때, 제어판의 하단부의 위치는 노즐 팁 하단부의 위치와 같다. 이러한 제트 스트림 제어판은 방사용액에 인가한 전압과 동일하게 인가되었다.A jet stream control panel consisting of an aluminum metal plate 0.4 mm thick and 40 mm wide at 3 cm from the left and right sides of the spinneret pack was installed in a vertical direction parallel to the pack. At this time, the position of the lower end of the control panel is the same as the position of the lower end of the nozzle tip. This jet stream control panel was applied with the same voltage applied to the spinning solution.

또한, 스트림 유도부(6a, 6b)가 토출된 하전 필라멘트 스트림의 좌우양측에 5cm 떨어진 위치에 이격되어 설치되고, 방사노즐팩의 하측 1cm 내지 컬렉터의 상측1cm 범위내에 위치되었다. 컬렉터는 금속벨트(SUS 304)를 채용한 컨베이어로서 접지된 상태이며, 노즐 팁으로부터 20cm 이격된 위치에 설치되었다.In addition, the stream guides 6a and 6b were installed at a distance of 5 cm apart from the left and right sides of the discharged charged filament stream, and were located within the range of 1 cm below the spinneret pack to 1 cm above the collector. The collector was grounded as a conveyor employing a metal belt (SUS 304) and was installed 20 cm away from the nozzle tip.

한편, 도 2는 전술한 전기방사장치의 방사노즐 팩과 컬렉터를 수직으로 연속구성시킨 전기방사장치로서, 폴리올레핀 막의 양면에 웹상의 다공성 막을 직접 형성시키는데 사용되었다.On the other hand, Figure 2 is an electrospinning device in which the spinneret pack and the collector of the above-described electrospinning device is vertically continuous, and was used to directly form a porous film on the web on both sides of the polyolefin membrane.

제조한 복합막의 물성시험방법은 다음과 같다.The property test method of the prepared composite membrane is as follows.

1. 기공크기1. Pore size

평균 기공크기(mean flow pore size;MFPS) 및 최대기공크기는 automated capillary flow porometer[PMI(Porous Materials Inc.)사, Model CFP-1200AEL (CFP-34RTF8A-X-6-L4)]를 사용하여 측정하였다. 측정에 사용된 습윤액(wetting fluid)는 갈윅산[galwick acid(표면장력 15.9dynes/cm)]이었다. 어댑터플레이트의직경은 21mm였으며, wet-up/dry-up방법으로 측정하였다.Mean pore size (MFPS) and maximum pore size were measured using an automated capillary flow porometer (PMI (Porous Materials Inc.), Model CFP-1200AEL (CFP-34RTF8A-X-6-L4)] It was. The wetting fluid used for the measurement was galwick acid (surface tension 15.9 dynes / cm). The diameter of the adapter plate was 21 mm and measured by wet-up / dry-up method.

2.SEM2.SEM

섬유직경은 SEM(Spectroscan Leica사 Model 440)기기를 사용하여 분석하였다. 배율은 x10k와 x20k로 관찰하였다.Fiber diameter was analyzed using SEM (Spectroscan Leica Model 440) instrument. Magnification was observed at x10k and x20k.

3. 기계적 특성3. Mechanical property

웹상의 다공성 막의 인장강도 및 신도는 인장시험기(Instron사 Model 4201)를 사용하여 측정하였다. 이때, 사용한 load cell의 용량은 2.5kg이었다.Tensile strength and elongation of the porous membrane on the web was measured using a tensile tester (Instron Model 4201). At this time, the capacity of the used load cell was 2.5kg.

실시예 1Example 1

강도지지층 역할을 하는 폴리올레핀계 미세다공성 PP 막은 두께 25㎛, 공극률 55%, 기공크기 0.209x0.054㎛, 공기흐름저항값 Gurley 9초, MD방향의 인장강도 1200㎏/㎠, CD방향의 인장강도 115㎏/㎠, 수축율 3%의 물성을 갖는 다공성 필름(Celgard사, 상품명 Celgard 2500)을 사용하였다.Polyolefin-based microporous PP membrane acting as a strength support layer has a thickness of 25㎛, porosity 55%, pore size 0.209x0.054㎛, air flow resistance value Gurley 9 sec, tensile strength 1200kg / ㎠ in MD direction, tensile strength in CD direction A porous film (Celgard, trade name Celgard 2500) having physical properties of 115 kg / cm 2 and shrinkage of 3% was used.

한편, 웹상의 다공성 막은 PVDF[poly(vinylidene fluoride)]계 고분자를 사용하여 전술한 전기방사장치를 이용하여 제조하였다. 즉, PVDF-HFP(88몰%:12몰%)[poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoro propylene)] 공중합체[Elf Atochem North America, Inc., 상품명 Kynar Flex 2801:수평균분자량(Mn)=120,000, 중량평균분자량(Mw)=380,000, 비중 1.77g/cc, 용융점 143℃]를 무게비가 7:3인 아세톤(acetone)과 디메틸아세트아미드(DMAc)의 혼합용매에 용해시켜 13중량%의 고분자 용액을 제조하여 전기방사하였다. 이때, 방사노즐당 토출양은 20㎕/분이었으며, 인가 전압은 28kv였다.On the other hand, the porous membrane on the web was prepared using the above-described electrospinning using a PVDF (poly (vinylidene fluoride))-based polymer. That is, PVDF-HFP (88 mol%: 12 mol%) [poly (vinylidenefluoride- co- hexafluoro propylene)] copolymer [Elf Atochem North America, Inc., trade name Kynar Flex 2801: number average molecular weight (Mn) = 120,000, Weight average molecular weight (Mw) = 380,000, specific gravity 1.77 g / cc, melting point 143 캜] was dissolved in a mixed solvent of acetone (acetone) and dimethylacetamide (DMAc) having a weight ratio of 7: 3 to prepare a 13% by weight polymer solution. It was prepared and electrospun. At this time, the discharge amount per spinning nozzle was 20 μl / min, and the applied voltage was 28 kv.

컬렉터에 집적된 막은 컬렉터로부터 분리하였으며, 제조된 웹상 다공성 막은 구성섬유의 직경이 70~500nm, 기공도는 80%, MFPS는 1㎛였다. 두께는 10㎛였다.The membrane integrated in the collector was separated from the collector, and the prepared web-like porous membrane had a diameter of 70-500 nm, a porosity of 80%, and a MFPS of 1 μm. The thickness was 10 micrometers.

웹상의 다공성 막을 전술한 PP 미세다공성 막의 양면에 적층하여 3층 구조물을 구성시킨 후, 온도 140℃, 선형압력 0.5kg/cm, 이송속도 20cm/분의 조건으로 라미네이터(GMP사, 모델: EXCEL AM-655Q)를 통과시켜 웹상의 다공성막이 PP 미세다공성 막의 양면에 접합된 복합막을 제조하였다.After laminating porous membranes on the web on both sides of the aforementioned PP microporous membrane to form a three-layer structure, the laminator (GMP company, model: EXCEL AM) at a temperature of 140 ° C., a linear pressure of 0.5 kg / cm, and a feed rate of 20 cm / min. -655Q) to produce a composite membrane in which the porous membrane on the web is bonded to both sides of the PP microporous membrane.

제조된 복합막의 총 두께는 33㎛, 공극률 58%, 평균흐름 기공크기 0.136㎛, 최대 기공크기 2.65㎛이며, 기계적 특성은 PP 다공성 필름과 동일한 것으로 나타났다.The total thickness of the composite membrane was 33 μm, porosity 58%, average flow pore size 0.136 μm, maximum pore size 2.65 μm, and mechanical properties were the same as those of the PP porous film.

실시예 2Example 2

강도지지층 역할을 하는 폴리올레핀계 미세다공성 PP 막은 두께 25㎛, 공극률 55%, 기공크기 0.209x0.054㎛, 공기흐름저항값 Gurley 9초, MD방향의 인장강도 1200㎏/㎠, CD방향의 인장강도 115㎏/㎠, 수축율 3%의 물성을 갖는 다공성 필름(Celgard사, 상품명 Celgard 2500)을 사용하였다.Polyolefin-based microporous PP membrane acting as a strength support layer has a thickness of 25㎛, porosity 55%, pore size 0.209x0.054㎛, air flow resistance value Gurley 9 sec, tensile strength 1200kg / ㎠ in MD direction, tensile strength in CD direction A porous film (Celgard, trade name Celgard 2500) having physical properties of 115 kg / cm 2 and shrinkage of 3% was used.

한편, 웹상의 다공성 막은 이종의 PVDF계 고분자를 복합방사하여 제조되었다. 즉, 100% PVDF 단독중합체[Elf Atochem North America, Inc., 상품명 Kynar 761]를 아세톤과 디메틸아세트아미드의 무게비 5:5인 혼합용매에 15중량% 용해시킨 고분자 용액과, PVDF-HFP(88mol%:12mol%)[poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoro propylene)]] 공중합체[Elf Atochem North America, Inc., 상품명 Kynar Flex 2801:수평균분자량(Mn)=120,000, 중량평균분자량(Mw)=380,000, 비중 1.77g/cc, 용융점 143℃]를 아세톤 용매에 13중량% 용해시킨 고분자 용액을 사용하였다. 상기의 고분자 용액은 별도의 방사노즐팩에 공급하여 실시예 1과 동일한 전기방사장치를 사용하여 방사하였다. 이때, 방사노즐팩 사이의 간격은 20cm였으며, 방사노즐당 20㎕/분씩 각각 토출하였다. 인가전압은 100% PVDF 단독 고분자용액의 경우 28kv이고, 88% PVDF 공중합체의 경우 21kv였다. 팁과 컬렉터간의 거리는 20cm였다.On the other hand, the porous membrane on the web was prepared by complex spinning a heterogeneous PVDF-based polymer. That is, a polymer solution obtained by dissolving 15% by weight of 100% PVDF homopolymer [Elf Atochem North America, Inc., trade name Kynar 761] in a mixed solvent having a weight ratio of acetone and dimethylacetamide 5: 5, and PVDF-HFP (88 mol%) : 12 mol%) [poly (vinylidenefluoride- co- hexafluoro propylene)] copolymer [Elf Atochem North America, Inc., trade name Kynar Flex 2801: number average molecular weight (Mn) = 120,000, weight average molecular weight (Mw) = 380,000, Specific gravity 1.77 g / cc, melting point 143 ° C.] was used as a polymer solution obtained by dissolving 13 wt% in acetone solvent. The polymer solution was supplied to a separate spinning nozzle pack and spun using the same electrospinning apparatus as in Example 1. At this time, the interval between the spinning nozzle pack was 20cm, each 20μl / min was discharged per spinning nozzle. The applied voltage was 28 kv for 100% PVDF homopolymer solution and 21 kv for 88% PVDF copolymer. The distance between the tip and the collector was 20 cm.

복합방사하여 컬렉터에 집적된 막은 구성섬유의 직경이 70~700nm였으며, 가는 직경과 굵은 직경이 혼재된 상태를 이룬다. 제조된 막의 두께는 10㎛였다.Membrane integrated in the collector by the composite spinning was 70 ~ 700nm diameter of the constituent fibers, a mixture of thin and coarse diameter. The thickness of the membrane produced was 10 μm.

이렇게 제조한 막은 PP 미세다공성 막(필름)의 양면에 적층하여 3층 구조물을 구성시킨 후, 온도 140℃, 선형 압력 1kg/10cm, 이송속도 20cm/분의 조건으로 라미네이터(GMP사, 모델: EXCEL AM-655Q)를 통과시켜 웹상의 PVDF계 다공성막이 PP 미세다공성 막의 양면에 접합된 복합막을 제조하였다.Thus prepared membrane is laminated on both sides of the PP microporous membrane (film) to form a three-layer structure, laminator (GMP company, model: EXCEL under conditions of temperature 140 ℃, linear pressure 1kg / 10cm, feed rate 20cm / min) AM-655Q) to produce a composite membrane in which the PVDF porous membrane on the web is bonded to both sides of the PP microporous membrane.

이렇게 제조된 복합막의 총 두께는 33㎛, 공극률 60%, MFPS 0.136㎛, 최대 기공크기 2.65㎛이며, 기계적 특성은 PP 다공성 필름과 동일한 것으로 나타났다.The total thickness of the composite membrane thus prepared was 33 μm, porosity 60%, MFPS 0.136 μm, maximum pore size of 2.65 μm, and mechanical properties were the same as those of the PP porous film.

실시예 3Example 3

강도지지층 역할을 하는 폴리올레핀계 미세다공성 PE 막은 두께 21㎛, 공극률 43%, 기공크기 0.110x0.054㎛, 공기흐름저항값 Gurley 22초, MD방향의 인장강도 1700㎏/㎠, CD방향의 인장강도 120㎏/㎠, 수축율 5%, 용융온도 135℃의 물성을 갖는 다공성 필름(Celgard사, 상품명 Celgard 2730)을 사용하였다.Polyolefin microporous PE membrane acting as a strength support layer has a thickness of 21㎛, porosity 43%, pore size 0.110x0.054㎛, air flow resistance value Gurley 22 sec, tensile strength in MD direction 1700㎏ / ㎠, tensile strength in CD direction A porous film (Celgard, trade name Celgard 2730) having physical properties of 120 kg / cm 2, shrinkage of 5%, and melting temperature of 135 ° C. was used.

웹상의 다공성 막은 PVDF-HFP(88몰%:12몰%)[poly(vinylidenefluoride-co- hexafluoro propylene)] 공중합체[Elf Atochem North America, Inc., 상품명 KynarFlex 2801:수평균분자량(Mn)=120,000, 중량평균분자량(Mw)=380,000, 비중 1.77g/cc, 용융점 143℃]를 아세톤과 디메틸아세트아미드의 무게비 4:6인 혼합용매에 용해시켜 만든 13중량%의 고분자 용액으로 제조하였다.The porous membrane on the web was PVDF-HFP (88 mol%: 12 mol%) [poly (vinylidenefluoride- co -hexafluoro propylene)] copolymer [Elf Atochem North America, Inc., trade name KynarFlex 2801: number average molecular weight (Mn) = 120,000 , Weight average molecular weight (Mw) = 380,000, specific gravity 1.77 g / cc, melting point 143 ° C.] was prepared as a 13 wt% polymer solution prepared by dissolving acetone and dimethylacetamide in a mixed solvent having a weight ratio of 4: 6.

전기방사장치는 도 2에 기재된 바와 같이 방사노즐 팩(12)과 컨베이어형 금속(SUS 304) 컬렉터(17)가 수직으로 연속하여 설치되었으며, PE 필름은 컬렉터의 상면에 놓여 컬렉터와 함께 통과하도록 구성되어있다. 방사는 컬렉터의 상면의 PE 필름 위의 양면에 직접 행하였다. 이때, 방사노즐당 토출량은 50㎕/분, 인가전압은 28kv, 팁과 컬렉터간의 거리는 20cm였다. 상기의 장치를 거쳐 제조된 PE 필름위의 막을 구성하는 필라멘트의 직경은 300~1,000nm였으며, 막의 단면두께는 각각 10㎛였다.As shown in FIG. 2, the spinneret pack 12 and the conveyor-type metal (SUS 304) collector 17 are vertically and continuously installed, and the PE film is disposed on the upper surface of the collector to pass along with the collector. It is. Spinning was done directly on both sides on the PE film on the upper surface of the collector. At this time, the discharge amount per spinning nozzle was 50 mu l / min, the applied voltage was 28 kv, and the distance between the tip and the collector was 20 cm. The diameters of the filaments constituting the film on the PE film produced through the above apparatus were 300 to 1,000 nm, and the cross-sectional thicknesses of the films were 10 µm, respectively.

상기의 PE 다공성 필름의 양면에 웹상의 다공성 막을 갖는 3층 구조물은 온도 120℃, 선형 압력 1kg/cm, 이송속도 20cm/분의 조건으로 라미네이터(GMP사, 모델: EXCEL AM-655Q)를 통과시켜 서로 접합시키므로서 복합막을 제조하였다.The three-layer structure having a porous membrane on the web on both sides of the PE porous film is passed through a laminator (GMP company, model: EXCEL AM-655Q) at a temperature of 120 ° C., a linear pressure of 1 kg / cm, and a feed rate of 20 cm / min. The composite membrane was produced by bonding together.

이렇게 제조된 복합막의 총 두께는 30㎛, 공극률 45%, MFPS 0.304㎛, 최대 기공크기 1.10㎛이며, 기계적 특성은 PE 다공성 필름과 동일한 것으로 나타났다.The total thickness of the composite membrane thus prepared was 30 μm, porosity 45%, MFPS 0.304 μm, maximum pore size of 1.10 μm, and the mechanical properties were the same as that of the PE porous film.

실시예 4Example 4

강도지지층 역할을 하는 폴리올레핀계 미세다공성 막은 폴리에틸렌(PE)/폴리프로필렌(PP)/폴리에틸렌(PE)의 다층막으로 이루어진 두께 25㎛, 공극률 36%, 기공크기 0.05x0.11㎛, 기계적 방향(MD)의 수축율 5%(90℃, 60min), 공기흐름저항값 Gurley 25초, MD방향의 인장강도 1560㎏/㎠(22kpsi), CD방향의 인장강도135㎏/㎠(2kpsi), 용융온도 135℃(PE)/165℃(PP)의 물성을 갖는 다공성 필름(Celgard사, 상품명 Celgard 2300)을 사용하였다.The polyolefin-based microporous membrane serving as the strength support layer has a thickness of 25 µm, a porosity of 36%, a pore size of 0.05x0.11 µm, and a mechanical direction (MD) made of a multilayer of polyethylene (PE) / polypropylene (PP) / polyethylene (PE). Shrinkage rate of 5% (90 ℃, 60min), air flow resistance value Gurley 25 seconds, tensile strength 1560㎏ / ㎠ (22kpsi) in MD direction, tensile strength 135㎏ / ㎠ (2kpsi) in CD direction, melting temperature 135 ℃ ( A porous film (Celgard, trade name Celgard 2300) having physical properties of PE) / 165 ° C. (PP) was used.

웹상의 다공성 막은 PVDF-HFP(88몰%:12몰%)[poly(vinylidenefluoride-co- hexafluoro propylene)] 공중합체[Elf Atochem North America, Inc., 상품명 Kynar Flex 2801:수평균분자량(Mn)=120,000, 중량평균분자량(Mw)=380,000, 비중 1.77g/cc, 용융점 143℃]를 아세톤과 디메틸아세트아미드의 무게비 4:6인 혼합용매에 용해시켜 만든 13중량%의 고분자 용액으로 제조하였다.The porous membrane on the web was PVDF-HFP (88 mol%: 12 mol%) [poly (vinylidenefluoride- co -hexafluoro propylene)] copolymer [Elf Atochem North America, Inc., trade name Kynar Flex 2801: number average molecular weight (Mn) = 120,000, weight average molecular weight (Mw) = 380,000, specific gravity 1.77 g / cc, melting point 143 ° C.] was prepared as a 13 wt% polymer solution prepared by dissolving acetone and dimethylacetamide in a weight ratio of 4: 6.

전기방사장치는 실시예 3과 동일한 장치를 이용하였는데, PP/PE/PP 필름은 컬렉터의 상면로부터 5mm 떨어져 통과하도록 구성되어 있다. 이때, 방사노즐당 토출량은 20㎕/분, 인가전압은 28kv, 팁과 컬렉터간의 거리는 20cm였다. 방사는 컬렉터의 상면을 통과하는 PP/PE/PP 필름 위에 직접 행하였으며, 하전 필라멘트는 각 조의 방사노즐팩과 컬렉터를 통과하면서 PP/PE/PP 필름의 양면에 집적되었다. 필름위에 집적된 섬유의 직경은 300~700nm였으며, 막의 단면두께는 각각 5㎛였다.The electrospinning device used the same apparatus as in Example 3, but the PP / PE / PP film was configured to pass 5 mm away from the top surface of the collector. At this time, the discharge amount per spinning nozzle was 20 mu l / min, the applied voltage was 28 kv, and the distance between the tip and the collector was 20 cm. Spinning was done directly on the PP / PE / PP film passing through the top of the collector, and the charged filaments were integrated on both sides of the PP / PE / PP film while passing through each set of spinning nozzle packs and collectors. The diameter of the fibers integrated on the film was 300-700 nm, and the cross-sectional thicknesses of the films were 5 mu m, respectively.

이렇게 제조된 3층 구조물은 온도 100℃, 선형 압력 1kg/cm, 이송속도 20cm/분의 조건으로 라미네이터(GMP사, 모델: EXCEL AM-655Q)를 통과시켜 웹상의 PVDF계 다공성 막이 접합된 복합막을 제조하였다.The three-layer structure thus manufactured was passed through a laminator (GMP company, model: EXCEL AM-655Q) at a temperature of 100 ° C., a linear pressure of 1 kg / cm, and a feed rate of 20 cm / min. Prepared.

이렇게 제조된 복합막의 총 두께는 30㎛, 공극률 37%, MFPS 0.127㎛, 최대 기공크기 2.31㎛이며, 기계적 특성은 PP/PE/PP 다공성 필름과 동일한 것으로 나타났다.The total thickness of the composite membrane thus prepared was 30 μm, porosity 37%, MFPS 0.127 μm, maximum pore size of 2.31 μm, and the mechanical properties were the same as those of the PP / PE / PP porous film.

실시예 5Example 5

강도지지층 역할을 하는 폴리올레핀계 미세다공성 PE 막은 두께 21㎛, 공극률 43%, 기공크기 0.110x0.054㎛, 공기흐름저항값 Gurley 22초, MD방향의 인장강도 1700㎏/㎠, CD방향의 인장강도 120㎏/㎠, 수축율 5%, 용융온도 135℃의 물성을 갖는 다공성 필름(Celgard사, 상품명 Celgard 2730)을 사용하였다.Polyolefin microporous PE membrane acting as a strength support layer has a thickness of 21㎛, porosity 43%, pore size 0.110x0.054㎛, air flow resistance value Gurley 22 sec, tensile strength in MD direction 1700㎏ / ㎠, tensile strength in CD direction A porous film (Celgard, trade name Celgard 2730) having physical properties of 120 kg / cm 2, shrinkage of 5%, and melting temperature of 135 ° C. was used.

웹상의 다공성 막은 PVDF-HFP(88몰%:12몰%)[poly(vinylidenefluoride-co- hexafluoro propylene)] 공중합체[Elf Atochem North America, Inc., 상품명 Kynar Flex 2801:수평균분자량(Mn)=120,000, 중량평균분자량(Mw)=380,000, 비중 1.77g/cc, 용융점 143℃]를 아세톤과 디메틸아세트아미드의 무게비 6:4인 혼합용매에 용해시켜 만든 13중량%의 고분자 용액으로 제조하였다.The porous membrane on the web was PVDF-HFP (88 mol%: 12 mol%) [poly (vinylidenefluoride- co -hexafluoro propylene)] copolymer [Elf Atochem North America, Inc., trade name Kynar Flex 2801: number average molecular weight (Mn) = 120,000, weight average molecular weight (Mw) = 380,000, specific gravity 1.77 g / cc, melting point 143 ° C.] was prepared as a 13 wt% polymer solution prepared by dissolving acetone and dimethylacetamide in a weight ratio of 6: 4.

전기방사장치는 실시예 1에서 사용한 것과 동일하다. 이때, 방사노즐당 토출량은 50㎕/분, 인가전압은 28kv, 팁과 컬렉터간의 거리는 20cm였다.The electrospinning value is the same as that used in Example 1. At this time, the discharge amount per spinning nozzle was 50 mu l / min, the applied voltage was 28 kv, and the distance between the tip and the collector was 20 cm.

상기의 장치를 거쳐 제조된 섬유상 다공성 막은 구성섬유의 직경이 300~1,000nm였으며, 막의 두께는 10㎛였다.The fibrous porous membrane prepared through the above device had a diameter of 300 to 1,000 nm and a thickness of 10 μm.

웹상의 다공성 막을 다공성 PE 필름의 양면에 공급, 적층시키고, 적층된 3층 구조물은 온도 100℃, 선형 압력 1kg/10cm, 이송속도 20cm/분의 조건으로 라미네이터를 통과시켜 웹상의 다공성막이 PE 미세다공성 막에 접합된 복합막을 제조하였다.The porous membrane on the web was fed and laminated on both sides of the porous PE film, and the laminated three-layer structure was passed through a laminator at a temperature of 100 ° C., a linear pressure of 1 kg / 10 cm, and a feed rate of 20 cm / min so that the porous membrane on the web was PE microporous. A composite membrane bonded to the membrane was prepared.

이렇게 제조된 복합막의 총 두께는 23㎛, 공극률 43%, MFPS 0.304㎛, 최대 기공크기 1.10㎛이며, 기계적 특성은 PE 다공성 필름과 동일한 것으로 나타났다.The total thickness of the composite membrane thus prepared was 23 μm, porosity 43%, MFPS 0.304 μm, maximum pore size of 1.10 μm, and mechanical properties were the same as that of the PE porous film.

실시예 6Example 6

방사조건은 실시예 2와 동일하되, PVDF-HFP 공중합체 대신 PMMA[poly(methyl methacrylate), Mw=120,000]를 사용하여 8:2비율로 복합방사하였다. 이로부터 제조된 웹상의 다공성 막이 PP 미세다공성 막의 양면에 접합된 복합막의 물성은 내부지지층으로 공급한 PP 다공성 필름과 동일한 것으로 나타났다.The spinning conditions were the same as those of Example 2, but instead of PVDF-HFP copolymer, PMMA [poly (methyl methacrylate), Mw = 120,000] was used for the complex spinning at an 8: 2 ratio. The physical properties of the composite membrane in which the porous membrane formed on the web is bonded to both sides of the PP microporous membrane were found to be the same as the PP porous film supplied to the inner support layer.

이렇게 제조된 복합막의 총 두께는 33㎛, 공극률 60%, MFPS 0.136㎛, 최대 기공크기 2.65㎛인 것으로 나타났다.The total thickness of the composite membrane thus prepared was 33 μm, porosity 60%, MFPS 0.136 μm, and maximum pore size of 2.65 μm.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합막은 강도지지층으로서 폴리올레핀계 미세다공성 막을 구비하고 그 일면 또는 양면에 기공도가 높은 나노섬유로 이루어진 웹상의 다공성 막이 접합되므로서, 강도가 높고 액체 전해질의 흡수속도가 빠르며, 전해질이 균일하게 확산 침투될 수 있어 전기화학소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 복합막의 외부층인 웹상의 다공성 막은 전극 바인더 물질과 결착력이 있는 물질로 형성시 리튬이차전지와 같은 전기화학소자의 전해질 막으로 제공될 때 전지 제조의 공정속도를 증대시킬 수 있다.As described above, the composite membrane according to the present invention has a polyolefin-based microporous membrane as a strength support layer, and the porous membrane on the web made of nanofibers having high porosity is bonded to one or both surfaces thereof, so that the strength and absorption rate of the liquid electrolyte are high. Is fast, and the electrolyte may be uniformly diffused and penetrated to improve the performance of the electrochemical device. In addition, when the porous membrane on the web, which is the outer layer of the composite membrane, is provided as an electrolyte membrane of an electrochemical device such as a lithium secondary battery, when the porous membrane on the web is formed of a material having a binding property with the electrode binder material, the manufacturing speed of the battery may be increased.

Claims (10)

강도지지체 및 이 강도지지체의 적어도 일면 이상에 접합되는 고분자 웹상의 전기방사막(electrospinning membrane)으로 구성되는 전기화학소자용 복합막에 있어서,In a composite membrane for an electrochemical device comprising a strength support and an electrospinning membrane on a polymer web bonded to at least one surface of the strength support, (1) 상기 강도지지체는 평균기공크기가 0.005 ~ 3㎛이고, 공극율이 30 ~ 80%이며, 기계적 방향의 인장강도가 700kg/㎠ 이상이고, 횡방향의 인장강도가 150kg/㎠ 이상인 폴리올레핀계 미세 다공성막이고;(1) The strength support has an average pore size of 0.005 to 3㎛, porosity of 30 to 80%, mechanical tensile strength of 700kg / ㎠ or more, transverse tensile strength of 150kg / ㎠ or more fine polyolefin-based fine Porous membrane; (2) 상기 전기방사막은, 평균흐름 기공크기(MFPS)가 0.01 ~ 3㎛이고, 공극율이 60 ~ 95%가 되도록 전기방사에 의해 직경이 50 ~ 2,000nm인 나노섬유를 집적시킨 웹상의 다공성막이며;(2) The electrospun film has a porosity on a web in which nanofibers having a diameter of 50 to 2,000 nm are integrated by electrospinning so that the average flow pore size (MFPS) is 0.01 to 3 µm and the porosity is 60 to 95%. Membrane; 이로 인해, 상기 복합막은 평균흐름 기공크기가 0.01 ~ 1.5㎛이고, 공극율이 40% 이상이며, 기계적 방향의 인장강도가 1,000kg/㎠ 이상이고, 횡방향의 인장강도가 100kg/㎠ 이상인 두께 5 ~ 70㎛의 다층막인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 복합막.For this reason, the composite membrane has an average flow pore size of 0.01 to 1.5 µm, a porosity of 40% or more, a tensile strength of 1,000 kg / cm 2 or more in the mechanical direction, and a thickness of 5 to 100 kg / cm 2 or more in the transverse direction A composite membrane for an electrochemical device, characterized in that the multilayer membrane of 70㎛. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 폴리올레핀계 미세 다공성막은 폴리에틸렌계 고분자 및/또는 폴리프로필렌계 고분자로 이루어진 적어도 한층 이상의 막인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 복합막.The polyolefin-based microporous membrane is a composite membrane for an electrochemical device, characterized in that at least one layer consisting of a polyethylene-based polymer and / or a polypropylene-based polymer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 강도지지체의 두께가 5 ~ 50㎛인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 복합막.The composite membrane for an electrochemical device, characterized in that the thickness of the support 5 ~ 50㎛. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노섬유는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르 프로필렌 공중합체, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 복합막.The nanofibers are polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoro propylene copolymer, polyacrylonitrile, polyvinylidene chloride-acrylonitrile copolymer, polyethylene oxide, polyurethane, polymethyl acrylate, poly From the group consisting of methyl methacrylate, polyacrylamide, polyvinylchloride, polyvinylacetate, polyvinylpyrrolidone, polytetraethylene glycol diacrylate, polyethyleneglycol dimethacrylate, cellulose, cellulose acetate and mixtures thereof Composite membrane for an electrochemical device, characterized in that consisting of the selected polymer. 제 5 항에 있어서, 상기 나노섬유를 구성하는 고분자에는 SiO2, TiO2, Al2O3, BaTiO3, LiO2, LiF, LiOH, LiN, BaO, Na2O, MgO, Li2CO3, LiAlO3, PTFE 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 충진재가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 복합막.The polymer constituting the nanofiber is SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , BaTiO 3 , LiO 2 , LiF, LiOH, LiN, BaO, Na 2 O, MgO, Li 2 CO 3 , LiAlO 3 , PTFE and a composite membrane for an electrochemical device, characterized in that it further comprises a filler selected from the group consisting of these. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전기방사막은 그 두께가 50㎛ 이하이고, 기계적 방향의 인장강도가 50 kg/㎠ 이상이며, 횡방향의 인장강도가 20kg/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 복합막.The electrospinning film has a thickness of 50 μm or less, a tensile strength of 50 kg / cm 2 or more in the mechanical direction, and a tensile strength of 20 kg / cm 2 or more in the lateral direction, wherein the composite membrane for an electrochemical device. (a) 평균기공크기가 0.005 ~ 3㎛이고, 공극율이 30 ~ 80%이며, 기계적 방향의 인장강도가 700kg/㎠ 이상이고, 횡방향의 인장강도가 150kg/㎠ 이상인 두께 5 ~ 50㎛의 폴리올레핀계 미세 다공성막을 준비하는 단계;(a) Polyolefins having a mean pore size of 0.005 to 3 μm, porosity of 30 to 80%, tensile strength in the mechanical direction of 700 kg / cm 2 or more, and transverse tensile strength of 150 kg / cm 2 or more in thickness of 5 to 50 μm. Preparing a system-based microporous membrane; (b) 상기 폴리올레핀계 미세 다공성막의 일면 및/또는 양면에, 직경 50 ~ 2,000nm인 나노섬유를 전기방사(electrospinning)함으로써 고분자 웹상의 다공성막(두께가 50㎛ 이하이고, 평균흐름 기공크기(MFPS)가 0.01 ~ 2㎛이고, 공극율이 60 ~ 95%인 다공성막)을 적층하는 단계; 및(b) Electrospinning nanofibers having a diameter of 50 to 2,000 nm on one side and / or both sides of the polyolefin-based microporous membrane to form a porous membrane on a polymer web (thickness of 50 μm or less and average flow pore size (MFPS). ) Porous layer having a porosity of 60 to 95% and 0.01 to 2㎛); And (c) 상기 (b)단계의 결과물에 소정의 압력과 온도를 가하여 상기 폴리올레핀계 미세다공성 막과 웹상의 다공성막을 라미네이션시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 복합막의 제조방법.and (c) laminating the polyolefin-based microporous membrane and the porous membrane on the web by applying a predetermined pressure and temperature to the resultant of step (b). 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 폴리올레핀계 미세 다공성막은 폴리에틸렌계 고분자 및/또는 폴리프로필렌계 고분자로 이루어진 적어도 한층 이상의 막이고;The polyolefin-based microporous membrane is at least one or more layers made of polyethylene-based polymer and / or polypropylene-based polymer; 상기 나노섬유를 구성하는 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르 프로필렌 공중합체, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The polymer constituting the nanofibers may be polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polyacrylonitrile, polyvinylidene chloride-acrylonitrile copolymer, polyethylene oxide, polyurethane, polymethyl Acrylate, polymethylmethacrylate, polyacrylamide, polyvinylchloride, polyvinylacetate, polyvinylpyrrolidone, polytetraethylene glycol diacrylate, polyethyleneglycol dimethacrylate, cellulose, cellulose acetate and mixtures thereof Method selected from the group consisting of. 양극, 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터(separator) 및 유기 전해액을 케이스내에 수용하고 있는 전기화학소자에 있어서,In the electrochemical device containing a positive electrode, a negative electrode, a separator and an organic electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode in a case, 상기 세퍼레이터가 청구항 1에 기재된 복합막인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.The separator is an composite membrane according to claim 1, characterized in that the electrochemical device.
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