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KR-20260061042-A - COMPOSITION FOR COATING LAYER, SEPARATOR USING THE SAME, AND ELECTROCHEMICAL DEVICE INCLUDING THE SAME

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Abstract

본 발명의 전기화학소자용 분리막은 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 구비되며, 무기물 입자, 고분자 바인더 및 분산제를 포함하는 코팅층을 포함한다. 상기 코팅층은 코팅층 조성물로 제조되며, 상기 코팅층 조성물은 무기물 입자, 고분자 바인더 및 분산제를 포함하고, 상기 분산제는 말레산(Maleic acid) 단량체를 포함한다.

Inventors

  • 이지수
  • 이영모
  • 가경륜

Assignees

  • 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20251023
Priority Date
20241024

Claims (12)

  1. 무기물 입자, 고분자 바인더 및 분산제를 포함하고, 상기 분산제는 말레산(Maleic acid) 단량체를 포함하는 것인, 전기화학소자용 분리막의 코팅층 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 코팅층 조성물의 입도 D90은 1.5 μm 이하인 것인, 전기화학소자용 분리막의 코팅층 조성물.
  3. 다공성 고분자 기재; 및 상기 다공성 고분자 기재의 적어도 일면에 구비되며, 무기물 입자, 고분자 바인더 및 분산제를 포함하는 코팅층;을 포함하고, 상기 분산제는 말레산(Maleic acid) 단량체를 포함하는 것인, 전기화학소자용 분리막.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 것인, 전기화학소자용 분리막.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 무기물 입자는 BaTiO 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), Pb 1-x La x Zr 1-y Ti y O 3 (PLZT, 0<x<1, 0<y<1), Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), 하프니아(HfO 2 ), SrTiO 3 , SnO 2 , CeO 2 , MgO, Mg(OH) 2 , NiO, CaO, ZnO, ZrO 2 , SiO 2 , Y 2 O 3 , SiC, Al 2 O 3, Al(OH) 3 , AlO(OH), TiO 2 , 아연주석수산화물 (ZnSn(OH) 6 ), 주석-아연 산화물(Zn 2 SnO 4 , ZnSnO 3 ), 삼산화안티몬(Sb 2 O 3 ), 사산화안티몬(Sb 2 O 4 ), 오산화안티몬(Sb 2 O 5 )로부터 선택된 하나인 것인, 전기화학소자용 분리막.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 무기물 입자의 평균 입도는 0.2 μm 이상 1.5 μm 이하인 것인, 전기화학소자용 분리막.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 분산제는 스티렌(Styrene) 단량체를 더 포함하는 것인, 전기화학소자용 분리막.
  8. 청구항 3에 있어서, 상기 분산제는 스티렌-말레산 공중합체(SMA, Styrene-Maleic Acid Copolymer)를 포함하는 것인, 전기화학소자용 분리막.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 분산제는 폴리에테르 체인(Polyether Chain)을 더 포함하는 것인, 전기화학소자용 분리막.
  10. 청구항 3에 있어서, 상기 코팅층은 계면활성제를 더 포함하고, 상기 계면활성제는 폴리실록산(Polysiloxane)계 물질인 것인, 전기화학소자용 분리막.
  11. 양극; 음극; 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되며, 청구항 3의 분리막;을 포함하는, 전기화학소자.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 전기화학소자는 리튬 이차 전지인 것인, 전기화학소자.

Description

코팅층 형성용 조성물, 이를 이용한 분리막 및 이를 포함하는 전기화학소자{COMPOSITION FOR COATING LAYER, SEPARATOR USING THE SAME, AND ELECTROCHEMICAL DEVICE INCLUDING THE SAME} 본 출원은 2024년 10월 24일에 출원된 한국 특허 출원 제10-2024-0146486호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다. 본 발명은 코팅층 형성용 조성물, 이를 이용한 분리막 및 이를 포함하는 전기화학소자에 관한 것이다. 전기화학소자는 전기화학 반응을 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 것으로, 최근에는 에너지 밀도와 전압이 높고, 사이클 수명이 길며 다양한 분야에 사용 가능한 리튬 이차 전지가 널리 사용되고 있다. 리튬 이차 전지는 양극, 음극, 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막으로 제조되는 전극 조립체를 포함할 수 있고, 상기 전극 조립체가 전해액과 함께 케이스에 수납되어 제조될 수 있다. 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다. 도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학소자용 분리막의 모식도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 실시예 1의 분리막 돌기 유무를 확인한 현미경 이미지이다. 도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 비교예 1의 분리막 돌기 유무를 확인한 현미경 이미지이다. 첨부된 도면의 일부에서, 대응하는 구성요소에는 동일한 도면부호를 부여한다. 당업자는 본 도면이 요소들을 단순하고 명확하게 도시하고 있으며, 반드시 척도에 맞춰 그려지지 않았다는 점을 이해한다. 예를 들어, 다양한 실시예에 대한 이해를 돕기 위해, 도면에 도시된 일부 요소들의 치수는 다른 요소들에 비해 과장되어 표시될 수 있다. 또한, 상업적으로 실시 가능한 실시예에서 유용 내지 필수적인 공지 기술의 요소들은 본 발명의 다양한 실시예의 취지를 방해하지 않도록 종종 묘사되지 않을 수 있다. 본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 명세서에서, "A 및/또는 B"는 "A 및 B, 또는 A 또는 B"를 의미한다. 본 명세서에서, "약", "대략", "실질적으로"는 고유한 제조 및 물질 허용 오차(예를 들면 ±5%)를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본 명세서에서, 한 구성요소의 "상에" 구비된다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소가 사이에 배치되는 것을 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소가 더 배치될 수 있는 것을 의미한다. 본 명세서에서, 기공을 갖는다는 특성은 대상물이 복수의 기공을 포함하여 상기 기공들 상호 간에 서로 연결된 구조에 의해서 상기 대상물의 일측면으로 타측면으로 기상 및/또는 액상의 유체가 통과 가능한 것을 의미한다. 본 명세서에서, 분리막은 다수의 기공을 포함하는 다공성 특성을 갖는 것으로서, 전기화학소자에서 음극과 양극 사이의 전기적 접촉을 차단하면서 이온을 통과시키는 이온 전도성 배리어(porous ion-conducting barrier)의 역할을 하는 것이다. 전기화학소자의 구성요소 중 분리막은 양극과 음극 사이에 위치한 다공성 구조를 가지는 고분자 기재를 포함하는 것일 수 있고, 상기 분리막은 양극과 음극을 격리하여, 두 전극 사이의 전기적 단락을 방지하는 역할을 수행하는 동시에 전해질과 이온을 통과시키는 역할을 수행한다. 분리막은 그 자체로는 전기화학적 반응에 참여하지 않지만 전해액에 대한 젖음성, 기공도, 열수축율 등과 같은 물리적 성질은 전기화학소자의 성능 및 안전성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 분리막의 물리적 성질을 강화하기 위해 다공성의 고분자 기재에 코팅층을 추가하고, 상기 코팅층에 다양한 물질을 부가하여 코팅층의 물성을 개선하기 위한 다양한 방법들이 시도되고 있다. 일례로, 상기 분리막의 기계적 강도를 향상시키기 위하여 상기 코팅층에 무기물을 부가하거나, 고분자 기재의 난연성 및 내열성을 향상시키기 위한 무기물 또는 수화물이 상기 코팅층에 부가될 수 있다. 상기 코팅층 내에서 무기물 입자는 고분자 바인더에 의해 다른 무기물 입자와 연결되어 인터스티셜 볼륨(interstitial volume)을 형성할 수 있으며, 리튬 이온은 상기 인터스티셜 볼륨을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 고분자 바인더와 무기물 입자를 포함하는 코팅층은 분리막의 열수축을 방지하는 역할을 수행하는 것과 동시에, 리튬 이온이 분리막을 통해 이동하는 것을 돕는 역할을 수행한다. 이 때, 상기 코팅층 형성시 무기물 입자가 균일하게 분포되어야 돌기, 미코팅 등의 불량을 최소화할 수 있고, 코팅성이 우수하여 분리막의 내열 특성을 확보할 수 있다. 이 같은 점들을 고려하여, 본 발명에서는 상기 코팅층 형성시 분산성을 향상시키고 내열 특성이 우수하며 코팅 불량을 최소화할 수 있는 코팅층을 제공한다. 도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학소자용 분리막의 모식도이다. 도 1을 참조하며, 본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학소자용 분리막(100)은 다공성 고분자 기재(110); 및 상기 다공성 고분자 기재(110)의 적어도 일면에 구비되며, 무기물 입자, 고분자 바인더 및 분산제를 포함하는 코팅층(130);을 포함하고, 상기 분산제는 말레산(Maleic acid) 단량체를 포함한다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 상기 코팅층(130)은 무기물 입자, 고분자 바인더 및 분산제를 포함하고, 상기 분산제는 말레산(Maleic acid) 단량체를 포함하는 코팅층 조성물로부터 제조된다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 코팅층 조성물은 분산제가 말레산(Maleic acid) 단량체를 포함함으로써 분산성을 향상시키고 코팅 불량을 최소화하여 이 조성물로부터 제조되는 분리막(100)의 통기도 및 저항을 개선시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 코팅층 조성물의 입도 D90은 약 1.5 μm 이하인 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 코팅층 조성물의 입도 D90은 약 0.5 μm 이상 1.5 μm 이하, 0.6 μm 이상 1.5 μm 이하, 0.7 μm 이상 1.5 μm 이하, 0.8 μm 이상 1.5 μm 이하, 0.8 μm 이상 1.4 μm 이하, 0.8 μm 이상 1.3 μm 이하, 0.8 μm 이상 1.2 μm 이하, 0.8 μm 이상 1.1 μm 이하 또는 0.8 μm 이상 1 μm 이하인 것일 수 있다. 상술한 범위의 입도 D90에서 상기 코팅층 조성물의 분산성이 향상되고 그에 따라 제조되는 코팅층(130)의 코팅성 및 분리막(100)의 저항 특성이 개선될 수 있다. 또한, 코팅성 향상에 따라 분리막 돌기 발생이 억제되고 코팅 불량을 감소시킬 수 있다. 이와 같이 상술한 범위에서 상기 코팅층 조성물의 입도 D90을 조절함으로써 코팅층 내 분산성을 향상시킬 수 있고 그에 따라 코팅층(130)의 코팅성이 향상되고 분리막(100)의 통기도 및 저항이 개선될 수 있다. 또한, 코팅층(130)의 코팅성 향상에 따라 분리막 돌기 발생이 억제되어 코팅 불량을 최소화할 수 있다. 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 코팅층 조성물의 입도 D50은 약 0.3 μm 이상 1.5 μm 이하인 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 코팅층 조성물의 입도 D50은 약 0.3 μm 이상 1.4 μm 이하, 0.3 μm 이상 1.3 μm 이하, 0.3 μm 이상 1.2 μm 이하, 0.3 μm 이상 1.1 μm 이하, 0.3 μm 이상 1 μm 이하, 0.3 μm 이상 0.9 μm 이하, 0.3 μm 이상 0.8 μm 이하, 0.3 μm 이상 0.7 μm 이하, 0.3 μm 이상 0.6 μm 이하 또는 0.3 μm 이상 0.5 μm 이하인 것일 수 있다. 상술한 범위의 조성물의 입도 D50에서 후술할 바와 같이 상기 코팅층 조성물의 분산성이 향상되고 그에 따라 코팅층(130)의 코팅성이 향상되고 분리막(100)의 저항 상승을 억제할 수 있다. 또한, 코팅성 저하에 따라 발생할 수 있는 분리막 돌기 발생 및 코팅 불량을 최소화할 수 있다. 이와 같이 상술한 범위에서 상기 코팅층 조성물의 입도 D50을 조절함으로써 코팅층 내 분산성을 향상시킬 수 있고 그에 따라 코팅성이 향상되고 분리막(100)의 통기도 및 저항을 개선할 수 있다. 또한, 코팅층(130)의 코팅성 향상에 따라 분리막 돌기 발생이 억제되어 코팅 불량을 최소화할 수 있다. 본 명세서에 있어서, "입도 D50, D90"은, 입도에 따른 입자 개수 누적 분포의 50 %, 90 % 지점에서의 입도를 의미한다. 상기 입도는 레이저 회절법(laser diffraction method)을 이용하여 측정할 수 있다. 예를 들면, 측정 대상을 분산매 중에 분산시킨 후, 시판되는 레이저 회절 입도 측정 장치(예를 들어, Microtrac S3500)에 도입하여 입자들이 레이저빔을 통과할 때 입자 크기에 따른 회절패턴 차이를 측정하여 입도 분포를 산출한다. 측정 장치에 있어서의 입도에 따른 입자 개수 누적 분포의 50 %, 90 %가 되는 지점에서의 입자 직경을 산출함으로써, 입도 D50, D90를 각각 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학소자용 분리막(100)은 코팅층(130)에 포함되는 분산제가 말레산(Maleic acid) 단량체를 포함함으로써 분산성을 향상시키고 내열 특성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 다공성 고분자 기재(110)는 폴리올레핀계 수지를 베이스 수지로 하여 제조된 것일 수 있다. 폴리올레핀계 수지로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리펜텐 등을 예로 들