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초박막 세라믹 증착 분리막 제조 및 고안전성 리튬이차전지의 적용 연구 원문보기
Manufacturing and Application of Ultra-thin Ceramic Coated Separator for Highly Thermal Stable Lithium Secondary Batteries

  • 초록

    본 연구에서는 리튬이차전지용 분리막의 열적 안정성을 향상시키기 위하여 기존 Polyethylene (PE) 분리막보다 내열성이 우수한 Polypropylene (PP) 분리막을 사용하여 RF Sputter 증착 시 고출력의 증착에서도 열수축이 되지 않는 조건으로 Al2O3 세라믹을 코팅하였다. 세라믹을 코팅에 따른 PP 분리막의 두께, 내열성, Morphology, 통기도, 전해액 젖음성, Ionic Conductivity 등의 물리적 특성과 Al2O3을 코팅한 PP 분리막과 기존 분리막이 전기화학적으로 유의한 차이를 보이는지 C-Rate와 Cycle Performance를 측정하여 관찰하였다. 분리막의 내열성과 짧은 시간 내에 초박막 세라믹 코팅을 위하여 Radio-Frequency (RF) Magnetron Sputter를 이용하여 Polyethylene (PE) 분리막과 Polypropylene (PP) 분리막에 RF Sputter Power와 증착시간을 변경하여 열수축이 발생하지 않은 최적의 코팅조건으로 설정하였다. 코팅조건으로 Sputter Power 55 W, 2 min 동안 Al2O3 Sputter한 경우, PP 분리막에 Sputter로 인한 열수축이 발생하지 않은 최적의 조건이었다. 이후, 세라믹 코팅이 완료된 PP 분리막의 물리적, 전기화학적 평가를 하였다. Ceramic Coated Separator (CCS)의 경우 Bare 분리막보다 통기도를 제외한 내열성 (140℃, Thermal Shrinkage Ratio: Bare 19.4 %, CCS 0.0 %), 전해액 젖음성 및 Ionic Conductivity (Bare 0.700 mS/cm, CCS 0.877 mS/cm)가 향상되었으며, Al2O3이 코팅된 PP 분리막으로 2032-type Half-Cell을 제작하여 전기화학적 평가를 진행하다. CCS Half-Cell은 Bare Half-Cell보다 저항이 낮게 측정되었으며, C–Rate 결과, 0.5, 1, 2, 3 C Rate에서는 유사한 용량유지율을 나타냈고, CCS Half-Cell의 저항 감소로 5, 7, 10 C Rate에서 Bare Half-Cell보다 향상된 용량유지율을 나타냈다. 특히, 10 C Rate에서 CCS Half-Cell이 11 % (Bare: 52.8 %, CCS: 63.8 %) 향상된 용량유지율을 보였다. 수명 특성의 경우 500 Cycle 동안 두 Cell 간의 유사한 Cycle Performance 결과를 보여주었다. 본 연구는 RF Sputter를 이용하여 짧은 시간 내에 초박막 세라믹 코팅으로 내열성이 향상 된 PP 분리막이 리튬이차전지에 미치는 영향에 대해 연구하였으며, 세라믹 코팅된 분리막은 기존의 분리막보다 전기화학적 특성 및 열적 안정성이 향상된 실험적 결과를 제시하였다. 본 논문은 '고안전성 리튬이차전지 구현을 위한 나노 세라믹 코팅 분리막 제조 및 전기화학특성 분석'의 제목으로 2016년 한국 전기화학회지에 투고된 논문으로 구성되었다.


    Lithium-ion batteries (LIBs) have been widely used for portable electric devices such as mobile phones, laptops, digital cameras. In recent years, the use of LIBs has been expanded to large-sized applications like HEVs (Hybrid Electric Vehicles), EVs (Electric Vehicles), and ESSs (Energy Storage Systems). For this regards, lithium ion batteries have required larger capacity, higher power, longer cycle ability, and more safety than small-sized batteries. Among those factors, safety issues are the most important factor because unsafe batteries could threaten people's life in case of fire and explosion events. However, the safety issues have not been fully secured due to lots of problems caused by flammable organic solvents, thermally unstable cathodes and separators, as well as cell design issues. Ceramic Coated separators have been widely considered to improve the safety of lithium-ion batteries because they have shown thermally stable properties, enhanced wettability, improved ionic conductivity as well. RF-sputtering deposition is one of the effective methods to make a ceramic Coated polyethylene separator because the thickness of ceramic layer on the separator could be easily controlled in a few micron scale. However, polyethylene (PE) separator has shrinkage issues under the high-power sputtering systems. To overcome this problem, we used polypropylene (PP) separator to reduce the shrinkage effect under high-power RF-sputtering conditions. Consequently, in this study, we have demonstrated the effect of aluminium oxide (Al2O3) Coated PP separator under high power sputtering conditions for safe lithium-ion battery system. Due to the thermally stable properties of PP separator, comparing to the conventional PE separator, the total shrinkage area of PP separator under high-power sputtering was reduced. PP separator Coated with Al2O3 maintained their initial dimensions even after high temperature exposure at 140 ℃ for 30 min (Bare: 19.4 %, ceramic coated separator (CCS): 0 %). The sputtered Al2O3 layer effectively modified the surface properties of a PP separator from hydrophobic to hydrophilic with improving its wettability. In addition, a Al2O3 coating could improve the rate capability (10 C Rate; 111 %) compared with a bare PP separator under a high current density since the layer did not require additional use of polymeric binder materials, which usually inhibit the formation of pore structures in microporous membranes. This thesis consists of an article submitted to the Journal of the Korean Electrochemical Society, 2016, with the title of 'Nano ceramic coating on polypropylene separator for safety-enhanced lithium secondary battery'


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