KR101980844B1 - 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법 - Google Patents

전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 특성 평가 시스템의 분리막 절연 특성 평가 방법은, (a) 분리막 표면과 복수의 국소적 접촉을 형성하도록 금속 컨택층이 2장의 분리막 사이에 개재된 측정 대상체를 준비하는 단계; (b) 상기 측정 대상체를 상부 지그와 하부 지그 사이에 협지시키는 단계; (c) 전압 인가부를 이용하여 상기 상부 지그와 상기 하부 지그 사이에 시간에 따라 크기가 변화하는 전압을 인가하는 단계; (d) 전류 측정부로부터 상기 상부 지그와 상기 하부 지그 사이에 흐르는 전류의 측정값을 입력 받는 단계; 및 (e) 제어부가 상기 전류 측정값이 미리 설정된 임계치 이상일 때의 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정하는 단계;를 포함한다.

Description

전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법{METHOD FOR EVALUATING INSULATING PERFORMANCE OF SEPARATOR FOR ELECTROCHEMICAL DEVIDCE}
본 발명은 리튬이차전지 등의 전기화학소자에 이용될 수 있는 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 2장의 분리막 사이에 금속 컨택층을 개재시킨 상태로 분리막의 절연 특성을 평가하는 방법에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전기화학소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다.
전기화학소자는 이러한 측면에서 가장 주목 받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다. 최근에는 이차전지를 개발함에 있어서 용량 밀도 및 비에너지를 향상시키기 위하여 새로운 전극과 전지의 설계에 대한 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다.
현재 적용되고 있는 이차전지 중에서 1990 년대 초에 개발된 리튬이차전지는 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.
이 중 리튬이차전지에 사용되는 분리막은 리튬 이온의 이동을 허용하면서도 양극과 음극의 접촉을 물리적으로 차단하고 양극과 음극을 전기적으로 절연시키는 역할을 한다. 특히 분리막은 전지의 내부 단락을 저지하기 위한 절연성 유지 기능을 담당한다는 점에서 전지 특성 및 안전성에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다.
종래에는 이러한 분리막의 절연 특성을 평가하기 위해 분리막 자체의 절연 파괴 전압을 측정하였다. 구체적으로, 상부 지그와 하부 지그 사이에 분리막을 협지시키고, 두 지그 사이에 전압을 인가하여 분리막을 통해 기준치 이상의 전류가 흐를 때의 전압을 절연 파괴 전압으로 측정하였다.
그러나 전술한 방법으로는 분리막 자체의 절연 특성을 측정할 수 있을 뿐, 분리막과 전극을 라미네이션한 전극 조립체의 절연 파괴 전압을 측정할 수는 없었다. 전기화학소자에 포함되는 분리막은 전극 조립체로 조립되는 과정에서 전극과의 라미네이션을 거치게 된다. 이러한 라미네이션은 활물질 입자층이 코팅된 전극과 분리막을 적층시킨 후 롤러를 이용하여 압착하는 공정을 포함한다. 이 때 분리막에 변형이 일어나 라미네이션 전/후의 절연 파괴 전압이 달라진다. 전극 표면에 존재하는 활물질 입자와 분리막이 압착되는 과정에서 분리막의 표면에 미세한 요철이 생기면서 표면 전체에 걸쳐 두께 편차가 생기기 때문이다. 또한, 라미네이션 과정에서 전극 활물질 입자가 탈리되거나 외부에서 발생된 금속 분진 등이 분리막과 전극 사이에 이물질로 개재되는 경우에도 절연 파괴 전압이 달라질 수 있다. 이 경우 이물질과 접촉하는 분리막 부위의 두께가 얇아지면서 절연성이 저하된다. 두께가 얇아진 부위는 국소적으로 저항이 낮아지기 때문이다. 그러나, 종래 측정 방법만으로는 분리막 자체의 절연 파괴 전압과 분리막을 라미네이션한 후의 절연 파괴 전압이 다른 경우 이러한 경향을 파악할 수 없었다.
한편, 한국 공개 특허 제10-2016-0102331호에서는 두 지그 사이에 1장의 음극 시트와 1장의 분리막을 개재시킨 후 못이 통과할 때의 저항값을 측정함으로써 절연 파괴점을 측정하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 방법으로는 절연 파괴 전압의 요인이 분리막에 의한 것인지 전극에 의한 것인지 구별하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 분리막을 전극과 라미네이션한 경우를 모사한 측정 대상체를 이용하여 전기화학소자용 분리막의 절연 특성을 평가할 수 있는 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 구현예들에 따른 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법이 제공된다.
제1 구현예는,
(a) 분리막 표면과 복수의 국소적 접촉을 형성하도록 금속 컨택층이 2장의 분리막 사이에 개재된 측정 대상체를 준비하는 단계;
(b) 상기 측정 대상체를 상부 지그와 하부 지그 사이에 협지시키는 단계;
(c) 전압 인가부를 이용하여 상기 상부 지그와 상기 하부 지그 사이에 시간에 따라 크기가 변화하는 전압을 인가하는 단계;
(d) 전류 측정부로부터 상기 상부 지그와 상기 하부 지그 사이에 흐르는 전류의 측정값을 입력 받는 단계; 및
(e) 제어부가 상기 전류 측정값이 미리 설정된 임계치 이상일 때의 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제2 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 금속 컨택층은, 금속 메쉬로 이루어지고,
상기 (a) 단계는, 2장의 분리막 사이에 상기 금속 메쉬를 삽입하는 단계 및 상기 금속 메쉬가 삽입된 상기 2장의 분리막을 열 압착함으로써 분리막과 금속 메쉬 사이에 복수의 국소적 접촉을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제3 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 금속 컨택층은 복수의 금속 입자를 포함하는 금속 입자층으로 이루어지고,
상기 (a) 단계는, 상기 2장의 분리막 중 어느 하나에 복수의 금속 입자를 입자 상으로 흩뿌리는 단계; 및 상기 복수의 금속 입자가 흩뿌려진 분리막 위에 다른 하나의 분리막을 위치시킴으로써 분리막과 복수의 금속 입자 사이에 복수의 국소적 접촉을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제4 구현예는, 제1 구현예에 있어서,
상기 금속 컨택층은 복수의 금속 입자 및 이들을 결합하는 유기 바인더를 포함하는 금속 입자층으로 이루어지고,
상기 (a) 단계는, 상기 복수의 금속 입자, 상기 유기 바인더 및 휘발성 용매를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계; 상기 2장의 분리막 중 어느 하나의 분리막 상에 상기 슬러리를 도포하고 건조하여 금속 컨택층을 형성하는 단계; 및 상기 금속 컨택층이 형성된 분리막 위에 다른 하나의 분리막을 위치시킨 후 상기 2장의 분리막을 열 압착함으로써 분리막과 복수의 금속 입자 사이에 복수의 국소적 접촉을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제5 구현예는, 제1 구현예 내지 제4 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 금속 컨택층의 면적은 분리막 전체 면적 기준으로 60 내지 70%이며,
상기 금속 컨택층은 분리막 가장자리로부터 소정 폭만큼 이격된 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제6 구현예는, 제2 구현예에 있어서,
상기 금속 메쉬는 위사와 경사의 직경이 15 내지 2000 ㎛이고, 위사와 경사의 간격이 15 내지 10000 ㎛인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제7 구현예는, 제3 구현예 또는 제 4 구현예에 있어서,
상기 금속 입자층에 포함된 금속 입자는 15 내지 1000 ㎛ 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제8 구현예는, 제1 구현예 내지 제7 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
제어부가 상기 전류 측정값이 미리 설정된 기준 시간 동안 상기 임계치 이상일 때 상기 기준 시간이 경과된 직후에 측정된 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제9 구현예는, 제1 구현예 내지 제8 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에, 상기 측정 대상체와 상기 상부 지그 사이 및 상기 측정 대상체와 상기 하부 지그 사이에 금속박을 개재시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제10 구현예는, 제1 구현예 내지 제9 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 상부 지그와 상기 하부 지그에 압력을 인가하여 상기 측정 대상체를 가압하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제11 구현예는, 제1 구현예 내지 제10 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 상부 지그와 상기 하부 지그 중 적어도 어느 하나를 가열하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제12 구현예는, 제10 구현예에 있어서,
상기 상부 지그와 상기 하부 지그에 인가하는 압력은 5 KPa 내지 30 MPa인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제13 구현예는, 제1 구현예 내지 제12 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 결정된 절연 파괴 전압을 저장부에 기록하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제14 구현예는, 제1 구현예 내지 제13 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 결정된 절연 파괴 전압을 디스플레이부에 표시하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
제15 구현예는, 제1 내지 제14 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서,
상기 전압은 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압 또는 펄스 전압인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 분리막 표면과 복수의 국소적 접촉을 형성하도록 금속 컨택층이 2장의 분리막 사이에 개재된 측정 대상체를 이용하여, 상기 측정 대상체를 2개의 지그 사이에 협지시킨 후 상기 2개의 지그 사이에 전압을 인가하고 상기 지그 사이에 흐르는 전류를 측정함으로써, 전기화학소자용 분리막의 절연 특성을 평가할 수 있다.
상기와 같은 절연 특성 평가 방법에 따라 전극과 라미네이션된 후의 분리막에 대한 절연 특성을 신뢰성 있게 평가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 다르면, 고압의 장비를 사용하지 않으면서도 전극 조립체의 절연 파괴 전압 성질을 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막의 절연 특성 평가 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 특성 평가 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 특성 평가 시스템의 구성도이다.
도 4는 분리막의 절연 특성 평가 방법의 흐름도이다.
도 5는 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2에 따라 준비된 측정 대상체에 대하여 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압을 인가하였을 때의 절연 파괴 전압을 플로팅한 그래프이다.
도 6은 실시예 3 내지 4, 비교예 3 내지 4에 따라 준비된 측정 대상체에 대하여 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압을 인가하였을 때의 절연 파괴 전압을 플로팅한 그래프이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 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.
이하 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막의 절연 특성 평가 시스템의 전체적인 구성을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막의 절연 특성 평가 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 분리막의 절연 특성 평가 시스템(100)은 측정 대상체(110)의 절연 특성을 평가할 수 있는 장치로서, 전압 인가부(120), 전류 측정부(130), 및 제어부(140)를 포함한다. 또한, 선택적으로, 본 발명에 따른 분리막의 절연 특성 평가 시스템(100)은 압력 인가부(150), 가열부(160)를 더 포함할 수 있다.
상기 측정 대상체(110)는 2장의 분리막 사이에 금속 컨택층이 개재된 것으로서, 상기 금속 컨택층은 분리막 표면과 복수의 국소적 접촉을 형성한다. 따라서 본 발명에 따른 측정 대상체(110)는 전극과 라미네이션된 분리막을 모사한 것이다.
분리막은 라미네이션 전후로 절연 특성이 달라지는데 이 이유는 다음과 같다. 라미네이션 과정에서 전극 활물질 입자가 탈리되거나 외부에서 발생된 금속 분진 등이 분리막과 전극 사이에 이물질로 개재될 수 있다. 이 경우, 이물질과 접촉하는 분리막 부위의 두께가 얇아지면서 절연성이 저하된다. 두께가 얇아진 부위는 국소적으로 저항이 낮아지기 때문이다. 또한, 전극 표면은 활물질 입자의 형상에 따라 미세한 요철을 가진다. 따라서, 해당 요철도 분리막 전체 표면에 걸쳐 두께 편차를 유발한다. 이러한 두께 편차도 분리막의 절연 특성에 영향을 미친다. 분리막의 표면 중에서 두께가 상대적으로 얇아진 부위에서 절연성이 저하되기 때문이다.
본 발명은 분리막의 절연성을 측정하기 위해 2장의 분리막 사이에 금속 컨택층을 개재시킨다. 상기 금속 컨택층은 라미네이션 후의 전극 활물질층 또는 라미네이션 과정에서 발생되는 이물의 역할을 함에 따라 전극과 라미네이션된 분리막의 절연 특성을 신뢰성 있게 평가할 수 있다. 즉, 분리막의 실제 사용 환경을 모사하여 절연성을 평가할 수 있는 것이다.
일 실시예에서, 상기 금속 컨택층은, 금속 메쉬로 이루어질 수 있다.
상기 금속 메쉬는 분리막과 접촉하는 전극 활물질층을 모사하는 것으로서, 금속 재질로 이루어진 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 금속 메쉬는 위사와 경사가 직조된 형태를 가진다. 또한, 위사와 경사는 일정한 주기와 진폭을 가지고 직조된다.
따라서 상기 금속 메쉬가 2 장의 분리막 사이에 개재되면 위사와 경사가 이동하는 궤적 상에서 극대점과 극소점에 해당하는 영역이 분리막 표면과 국소적 접촉을 이룬다. 이러한 국소적 접촉은 이물질 입자나 활물질 입자가 분리막과 접촉하여 분리막의 두께에 변화를 유발하는 상황을 모사할 수 있다.
상기 금속 메쉬는 위사와 경사의 직경이 각각 15 내지 2,000 ㎛, 또는 15 내지 400 ㎛, 15 내지 40 ㎛이고, 위사와 경사의 간격이 각각 15 내지 10,000 ㎛, 또는 15 내지 800 ㎛, 또는 15 내지 80 ㎛일 수 있다.
이 때 위사와 경사의 간격은 가장 가까운 2개의 위사와 위사 사이의 간격, 가장 가까운 2개의 경사와 경사 사이의 간격을 의미한다. 상기 수치범위 내에서 금속 메쉬는 분리막과 전극이 라미네이션될 때 이물질이나 활물질 입자에 의해 분리막의 국소적 두께 변화를 모사할 수 있다.
이 때, 상기 측정 대상체(110)는 전극과 라미네이션된 분리막을 모사하기 위하여, 금속 메쉬가 삽입된 2장의 분리막을 열 압착한 것일 수 있다. 이에 따라 상기 측정 대상체에 있어서 분리막과 금속 메쉬 사이에는 복수의 국소적 접촉을 형성한다. 국소적 접촉은 금속 메쉬를 구성하는 위사와 경사의 직조 궤적 상에서 극대점과 극소점에 대응되는 위치에서 이루어진다.
다른 실시예에서, 상기 금속 컨택층은, 복수의 금속 입자를 포함하는 금속 입자층으로 이루어질 수 있다. 상기 금속 입자층은 분리막과 복수의 국소적 접촉을 형성함으로써 분리막과 전극의 라미네이션 시 이물질이나 전극 표면에서 요철을 형성하는 전극 활물질 입자를 모사할 수 있다.
상기 금속 입자층에 포함된 금속 입자는 15 내지 1,000 ㎛, 또는 50 내지 00 ㎛, 또는 100 내지 200 ㎛ 크기를 가질 수 있다. 상기 수치범위 내에서 금속 입자는 분리막과 전극이 라미네이션될 때 이물질이나 활물질 입자에 의한 분리막의 국소적 두께 변화를 모사할 수 있다.
상기 금속 입자층은 2장의 분리막 중 어느 하나의 표면에 흩뿌려 형성할 수 있다. 이 경우, 금속 입자가 흩뿌려진 분리막 상에 다른 하나의 분리막을 위치시킴으로써 분리막과 복수의 금속 입자 사이에 복수의 국소적 접촉을 형성할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 금속 컨택층은, 복수의 금속 입자 및 이들을 결합하는 유기 바인더를 포함하는 금속 입자층으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 측정 대상체(110)는, 복수의 금속 입자, 유기 바인더 및 휘발성 용매를 포함하는 슬러리를 분리막 위에 코팅 및 건조함으로써 복수의 금속 입자가 유기 바인더에 의해 결착되어 있는 금속 입자층이 형성된 분리막을 얻고, 그 위에 다른 하나의 분리막을 얹고 열 압착 공정을 진행하여 준비할 수 있다.
상기 분리막은 음극과 양극의 접촉을 물리적으로 차단시키고 전기적으로 절연 특성을 가지는 것이면 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되어 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있다. 분리막은 기공을 가지는데, 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 분리막의 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛일 수 있다. 분리막의 비제한적인 예로는, 내화학성 및 소수성의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머, 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용될 수 있다. 경우에 따라서 상기 분리막의 최외각면에 분리막의 내열 안정성을 높이기 위해 무기물 입자를 포함하는 무기 코팅층이 더 형성될 수 있다. 상기 분리막은 고체 전해질 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 컨택층의 면적은 분리막 전체 면적 기준으로 60 내지 70%이며, 상기 금속 컨택층은 분리막 가장자리로부터 소정 폭만큼 이격된 것일 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 전압 인가부(120)는, 상부 지그(171)와 하부 지그(172)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 전압 인가부(120)는, 지그(170)의 양단과 각각 연결될 수 있다. 예를 들어, 전압 인가부(120)는 상부 지그(171)와 하부 지그(172)와 각각 직접 연결될 수 있다.
상기 전압 인가부(120)는, 상부 지그(171)과 하부 지그(172) 사이에 직류 전압을 인가한다. 구체적으로 상기 전압 인가부(120)는 상부 지그(171)과 하부 지그(172) 사이에 시간에 따라 크기가 변화하는 전압을 인가한다. 상기 전압은 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압일 수 있다. 상기 전압은 시간에 따라 증가하는 펄스 전압일 수 있다. 상기 전압 인가부(120)는 제어부(140)와 전기적으로 연결되며, 제어부(140)의 통제에 따라 상부 지그(171) 및 하부 지그(172) 사이에 직류 전압 또는 펄스 전압을 인가한다. 제어부(140)는 미리 설정된 조건에 따라 시간에 따른 전압의 증가 정도를 조절한다.
바람직하게는, 상기 전압 인가부(120)는 Chroma Hipot Tester 19052, 또는 KEITYLEY Model 2400 Series 일 수 있다.
상기 전류 측정부(130)는, 상부 지그(171)와 하부 지그(172) 사이에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 전류 측정부(130)는, 지그(170)의 양단과 각각 연결될 수 있다. 예를 들어, 전류 측정부(130)는 상부 지그(171), 하부 지그(172)와 각각 직접 연결될 수 있다.
상기 전류 측정부(130)는, 상부 지그(171)과 하부 지그(172) 사이를 연결하는 선로 상에 흐르는 전류값을 측정한다.
본 발명에 있어서, 전압 인가부(120)가 상기 측정 대상체(110)가 협지된 지그(170)의 양단에 전압을 인가하는 경우, 측정 대상체(110)는 절연체이므로 일정 시간 내에서는 상부 지그(171)와 하부 지그(172) 사이에 흐르는 전류값은 0이 된다. 그러나 전압 인가부(120)에서 인가하는 전압값이 시간에 따라 점차 증가하는 경우 측정 대상체(110)의 절연성이 파괴된다. 이에 따라 상부 지그(171)와 하부 지그(172) 사이에 전류가 흐르게 된다. 따라서, 일정 시간이 지나면 전류 측정부(130)에서 측정되는 전류 측정값도 증가하게 된다. 상기 전류 측정부(130)에 의해 측정된 전류값이 기준치 이상으로 증가했다는 것은, 2장의 분리막 사이에 전류가 흐르게 되어 절연 특성이 파괴되었다는 것을 의미한다.
바람직하게는, 상기 전류 측정부(130)는 Chroma Hipot Tester 19052, 또는 KEITYLEY Model 2400 Series 일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부(140)는, 상기 전압 인가부(120) 측으로 전압 인가 명령을 전송한다. 그러면, 상기 전압 인가부(140)는 미리 설정된 조건에 따라 크기가 증가하는 전압을 상부 지그(171) 및 하부 지그(172) 사이에 인가한다. 또한, 상기 제어부(140)는 전압 인가부(120)가 상부 지그(171) 및 하부 지그(172) 사이에 전압을 인가하는 동안 전압 인가부(120)로부터 상부 지그(171) 및 하부 지그(172) 사이에 인가되는 전압값을 주기적으로 수신한다.
또한, 제어부(140)는, 전압 인가부(120)가 상부 지그(171) 및 하부 지그(172) 사이에 시간에 따라 크기가 증가하는 전압을 인가하는 동안 전류 측정부(130)로부터 상부 지그(171) 및 하부 지그(172) 사이에 흐르는 전류값을 주기적으로 수신한다. 분리막의 절연이 유지되면 전류값은 0.05mA 이하이고, 분리막의 절연이 파괴되면 전류값은 갑자기 증가한다.
상기 제어부(140)는, 전압 인가부(120) 및 전류 측정부(130)로부터 주기적으로 수신된 전압값과 전류값을 저장부(141)에 저장할 수 있으며, 전류값의 크기 변화를 모니터하여 전류값의 크기가 미리 설정된 임계치 이상이 되었을 때 상부 지그(171)와 하부 지그(172) 사이에 인가된 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정한다.
본 발명에 있어서, 절연 파괴 전압이란, 측정 대상체(110)에 시간에 따라 크기가 증가하는 전압이 인가되는 동안 측정 대상체(100)의 절연 특성이 파괴되었을 시점에 인가된 전압값을 의미한다. 즉, 원래 절연체였던 측정 대상체(110)에 인가되는 전압의 크기를 시간에 따라 증가시키면 특정 값 이상에서 갑자기 측정 대상체(100)가 도전성을 나타나게 된다. 즉, 측정 대상체(100)를 통해 전류가 흐르게 된다. 본 발명에서는 미리 설정된 기준 시간 동안 전류값이 특정 임계치 이상으로 유지되는 조건이 성립되었을 때, 상기 기준 시간이 경과된 이후에 전압 인가부(120)로부터 입력된 전압값을 절연 파괴 전압으로 정의한다.
따라서, 상기 제어부(140)는 전류 측정부(130)로부터 입력되는 전류값이 미리 설정된 기준 시간 동안 임계치 이상으로 유지되는 조건이 성립될 때 상기 기준 시간이 경과된 직후에 전압 인가부(120)로부터 입력된 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정할 수 있다.
바람직하게, 절연 파괴 전압은 측정 대상체(110)에 흐르는 전류값이 0.5mA 이상이고 해당 전류값이 3초 이상 유지될 때 측정될 수 있다. 이 경우, 절연 파괴 전압은 3초 직후에 전압 인가부(120)로부터 입력된 전압값일 수 있다.
본 발명에 따른 시스템(100)은, 저장부(141) 및/또는 디스플레이부(142)를 더 포함할 수 있다.
제어부(140)는 전압 인가부(120)로부터 주기적으로 입력되는 전압값을 입력 받아 저장부(141)에 저장할 수 있다. 또한 제어부(140)는 전류 측정부(130)로부터 주기적으로 입력되는 전류값을 저장부(141)에 저장할 수 있다.
상기 저장부(141)는 정보를 기록하고 소거할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 저장부(141)는, RAM, ROM, EEPROM, DRAM, SDRAM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체일 수 있다. 저장부(141)는, 제어부(140)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 제어부(140)과 전기적으로 연결될 수 있다. 저장부(141)는 제어부(140)가 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송할 수 있다. 저장부(141)는 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하다. 저장부(141)는 제어부(140) 내에 포함되는 것으로 제한하지 않는다.
상기 디스플레이부(142)는 측정 대상체(110)에 대하여 제어부(140)가 결정한 절연 파괴 전압을 외부의 디스플레이를 통해 출력할 수 있다. 예를 들어, 라미네이션 후의 분리막의 절연 특성 측정 결과는 문자, 숫자, 이미지 등의 형태로 디스플레이를 통해 출력될 수 있다. 절연 특성 측정 결과는, 절연 파괴 전압, 전압값 변화 프로파일, 전류값 변화 프로파일, 또는 이들의 결합을 포함할 수 있다.
상기 디스플레이부(142)는 제어부(140)와 전기적으로 결합될 수 있으며, 상기 제어부(140)는 결정된 절연 파괴 전압이나 시간에 따른 전압값 또는 전류값의 변화 프로파일을 디스플레이부(142)를 통해 출력할 수 있다. 상기 디스플레이부(142)는 액정 디스플레이, 유기발광다이오드 디스플레이, 발광디이오드 디스플레이일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 압력 인가부(150)는 상부 지그(171)와 하부 지그(172)에 압력을 인가하여 측정 대상체(110)를 가압할 수 있다.
상기 압력 인가부(150)는 상부 지그(171) 및 하부 지그(172)와 결합된다. 상기 압력 인가부(150)는 상부 지그(171) 및 하부 지그(172) 상호 간의 거리 조절을 통해 측정 대상체(110)에 가해지는 압력을 조절한다. 일 예로, 상부 지그(171) 및 하부 지그(172) 사이의 간격이 좁아질수록 측정 대상체(110)에 가해지는 압력이 증가한다.
상기 압력 인가부(150)가 상부 지그(171)와 하부 지그(172)에 인가되는 압력은 5 KPa 내지 30 MPa 일 수 있다. 이러한 압력 조건은, 전극과 분리막 사이의 라미네이션 압력을 모사할 수 있다.
상기 압력 인가부(150)는 비제한적인 예에서 유압 실린더일 수 있다. 이 경우, 상부 지그(171) 및 하부 지그(172)는 유압 실린더의 단부에 고정되며, 유압 실린더의 로드가 상하로 이동하는 것에 의해 상부 지그(171)와 하부 지그(172)에 인가되는 압력이 조절된다. 제어부(140)는 압력 인가부(150)와 전기적으로 결합될 수 있으며, 압력 인가부(150)의 동작을 제어할 수 있다. 따라서, 압력 인가부(150)는 제어부(140)로부터 입력되는 제어 명령에 따라 상부 지그(171)와 하부 지그(172) 사이에 인가되는 압력을 조절한다.
본 발명에 따른 시스템(100)에 있어서, 상기 가열부(160)는 서로 대향하는 상부 지그(171)와 상기 하부 지그(172) 중 적어도 하나에 마련될 수 있다. 상기 가열부(160)는 지그를 가열함으로써 측정 대상체(110)를 가열할 수 있다. 제어부(140)는 가열부(160)와 전기적으로 결합될 수 있으며, 가열부(160)의 동작을 제어할 수 있다. 따라서, 가열부(160)는 제어부(140)로부터 입력되는 제어 명령에 따라 소정의 온도로 측정 대상체(110)를 가열한다.
바람직하게, 상기 가열부(160)는 하부 지그(172) 내부에 설치된 열선일 수 있다. 열선은, 하부 지그(172)가 아닌 상부 지그(171)의 내부에 설치될 수도 있고, 상부 지그(171) 및 하부 지그(172) 모두에 설치될 수도 있다. 또는 상기 열선은, 하부 지그(172) 또는 상부 지그(171)이 측정 대상체와 맞닿는 타면에 설치될 수도 있다.
상기 가열부(160)는 측정 대상체(110)를 가열함으로써, 전극과 라미네이션된 분리막의 절연 특성에 온도가 끼치는 영향을 모사할 수 있다.
상기 지그(170)는, 절연 특성을 평가하고자 하는 측정 대상체(110)를 협지시키기 위한 것이다. 상기 지그는 상부 지그(171)과 하부 지그(172)로 구성될 수 있으며 서로 대향하는 구조일 수 있다.
상기 지그(170)는 측정 대상체(110)를 고정시키는 소재이면 제한 없이 사용 가능하며, 본 발명의 시스템(100)에서 상기 지그(170)는 전극을 구성하는 금속 집전체와 동일한 소재일 수 있다. 예를 들어, 전극이 양극인 경우, 상기 지그(170)는 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 또한, 전극이 음극인 경우, 상기 지그(170)는 구리로 이루어질 수 있다. 하지만 본 발명이 지그(170)의 재질에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 지그(170)은 측정 대상체(110)의 양 면에 전위차를 형성시키는 것으로, 바람직하게는 전기 전도체일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 절연 특성 평가 시스템(100)을 이용하여 분리막의 절연 특성을 평가함에 있어서, 측정 대상체(110)와 상부 지그(171) 사이 및 측정 대상체(110)와 하부 지그(172) 사이에 금속박을 개재시킬 수 있다. 상기 금속박은 절연 특성 평가가 반복됨에 따라 지그에 물리적으로 가해지는 손상을 방지하기 위한 것이다.
상기 금속박은 금속으로 된 얇은 박막이면 제한 없이 사용 가능하며, 지그와 낮은 계면 저항을 갖는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 지그과 동일한 물질을 사용할 수 있다. 예를 들면, 구리, 알루미늄 등을 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 특성 평가 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 분리막의 절연 특성 평가 시스템(200)은 서로 대향하는 2개의 지그(270), 상기 2개의 지그(270)와 연결된 전압 인가부(220), 전류 측정부(230), 및 제어부(240)을 포함할 수 있다. 또한, 압력 인가부(250) 및 가열부(260)를 더 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 분리막의 절연 특성 평가 시스템(200)은 상부 지그(271)와 하부 지그(272)사이에 측정 대상체(210)를 협지시킬 수 있다.
상기 측정 대상체(210)는 2장의 분리막(211, 212) 및 2장의 분리막 사이에 개재된 금속 컨택층(213)을 포함한다. 상기 금속 컨택층(213)은 구체적으로 금속 메쉬일 수 있다. 상기 금속 메쉬는 전술한 바와 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 특성 평가 시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 분리막의 절연 특성 평가 시스템(300)은 서로 대향하는 2개의 지그(370), 상기 2개의 지그(370)와 연결된 전압 인가부(320), 전류 측정부(330), 및 제어부(340)을 포함할 수 있다. 또한 압력 인가부(350) 및 가열부(360)를 더 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 분리막의 절연 특성 평가 시스템(300)은 상부 지그(371)와 하부 지그(372)사이에 측정 대상체(310)를 합지시킬 수 있다.
상기 측정 대상체는 2장의 분리막 사이에 개재된 금속 컨택층을 포함하며, 상기 금속 컨택층은 복수의 금속 입자를 포함하는 금속 입자층이거나, 복수의 금속 입자 및 이들을 결착하는 유기 바인더를 포함하는 금속 입자층일 수 있다. 상기 금속 입자층은 전술한 바와 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분리막의 절연 특성 평가 방법에 관한 흐름도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 분리막의 절연 특성 평가 방법은, 먼저 분리막 표면과 복수의 국소적 접촉을 형성하도록 금속 컨택층이 2장의 분리막 사이에 개재된 측정 대상체(110)를 준비한다(S110).
상기 측정 대상체는 금속 컨택층을 포함하며, 상기 금속 컨택층은 금속 메쉬이거나, 복수의 금속 입자를 포함하는 금속 입자층이거나, 복수의 금속 입자 및 이들을 결착하는 유기 바인더를 포함하는 금속 입자층일 수 있다.
상기 금속 메쉬는 분리막과 접촉하는 전극 활물질층을 모사하는 것으로서, 금속 재질로 이루어진 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 금속 메쉬는 위사와 경사가 직조된 형태를 가진다. 또한, 위사와 경사는 일정한 주기와 진폭을 가지고 직조된다.
따라서 상기 금속 메쉬가 2장의 분리막 사이에 개재되면 위사와 경사가 이동하는 궤적 상에서 극대점과 극소점에 해당하는 영역이 분리막 표면과 국소적 접촉을 이룬다. 이러한 국소적 접촉은 이물질 입자나 활물질 입자가 분리막과 접촉하여 분리막의 두께에 변화를 유발하는 상황을 모사할 수 있다.
상기 금속 메쉬는 위사와 경사의 직경이 각각 15 ㎛ 내지 2,000 ㎛, 또는 15 ㎛ 내지 400 ㎛, 15 ㎛ 내지 40 ㎛이고, 위사와 경사의 간격이 각각 15 ㎛ 내지 10,000 ㎛, 또는 15 ㎛ 내지 800 ㎛, 또는 15 ㎛ 내지 80 ㎛일 수 있다.
이 때 위사와 경사의 간격은 가장 가까운 2개의 위사와 위사 사이의 간격, 가장 가까운 2개의 경사와 경사 사이의 간격을 의미한다. 상기 수치범위 내에서 금속 메쉬는 분리막과 전극이 라미네이션될 때 이물질이나 활물질 입자에 의해 분리막의 국소적 두께 변화를 모사할 수 있다.
상기 금속 컨택층이 금속 메쉬인 경우, 측정 대상체(110)은 다음과 같은 방법으로 준비할 수 있다. 먼저, 2장의 분리막 사이에 상기 금속 메쉬를 삽입한다. 이 후 금속 메쉬가 삽입된 2장의 분리막을 열 압착한다. 열 압착할 때의 온도는 50 ℃ 내지 100 ℃, 압력은 1 MPa 내지 30 MPa가 바람직하다. 상기 열 압착으로 인하여 측정 대상체에 있어서 분리막과 금속 메쉬 사이에는 복수의 국소적 접촉을 형성할 수 있다. 국소적 접촉은 금속 메쉬를 구성하는 위사와 경사의 직조 궤조 상에서 극대점과 극소점에 대응되는 위치에서 이루어진다.
다른 실시예에서, 상기 금속 컨택층은, 복수의 금속 입자를 포함하는 금속 입자층으로 이루어질 수 있다. 상기 금속 입자층은 분리막과 복수의 국소적 접촉을 형성함으로써 분리막과 전극의 라미네이션 시 이물질이나 전극 표면에서 요철을 형성하는 전극 활물질 입자를 모사할 수 있다.
상기 금속 입자층에 포함된 금속 입자는 15 ㎛ 내지 1,000 ㎛, 또는 50 ㎛ 내지 00 ㎛, 또는 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 크기를 가질 수 있다. 상기 수치범위 내에서 금속 입자는 분리막과 전극이 라미네이션될 때 이물질이나 활물질 입자에 의한 분리막의 국소적 두께 변화를 모사할 수 있다.
상기 금속 컨택층이 복수의 금속 입자를 포함하는 금속 입자층으로 이루어진 경우, 측정 대상체(110)는 다음과 같은 방법으로 준비할 수 있다. 먼저, 2장의 분리막 중 어느 하나에 복수의 금속 입자를 입자 상으로 흩뿌려트린다. 이 후 상기 복수의 금속 입자가 흩뿌려진 분리막 위에 다른 하나의 분리막을 위치시킨다. 금속 메쉬와 달리 복수의 금속 입자를 포함하는 금속 입자층의 경우 열 압착을 하지 않더라도 분리막과 복수의 금속 입자 사이에 복수의 국소적 접촉을 형성할 수 있다. 물론, 금소 입자가 개재된 2장의 분리막을 히팅이 가능한 롤러를 이용하여 열 압착하는 것을 제한하지 않는다.
또 다른 실시예에서, 상기 금속 컨택층이 복수의 금속 입자 및 이들을 결착하는 바인더를 포함하는 금속 입자층으로 이루어진 경우, 측정 대상체(110)은 다음과 같은 방법으로 준비할 수 있다. 먼저, 복수의 금속 입자, 유기 바인더 및 휘발성 용매를 포함하는 슬러리를 제조한다.
상기 복수의 금속 입자는 전술한 바와 같다.
상기 유기 바인더는 금속 입자를 결착시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 유기 바인더의 비제한적인 예로, 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트 (polybutylacrylate), 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), 시아노에틸플루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 및 플루란 (pullulan) 등을 들 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 휘발성 용매는 사용하고자 하는 유기 바인더와 용해도 수지가 유사하며, 끓는점(boiling point)가 낮은 것이 바람직하다. 이는 균일한 혼합 이후 용매 제거를 용이하게 하기 위해서이다. 사용 가능한 용매의 비제한적인 예로는 물, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 메틸렌클로라이드, 클로로포름, 디메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 메틸에틸케톤 및 시클로헥산 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종 이상의 혼합물 등을 들 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 측정 대상체(110)는, 2장의 분리막 중 하나의 분리막 상에 복수의 금속 입자, 유기 바인더 및 휘발성 용매를 포함하는 슬러리를 도포 및 건조함으로써 복수의 금속 입자가 유기 바인더에 의해 결착되어 있는 금속 입자층이 형성된 분리막을 얻을 수 있다. 상기 도포 방법은 특별히 한정하지는 않지만, 슬랏 코팅이나 딥 코팅 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 슬랏 코팅은 슬랏 다이를 통해 공급된 슬러리가 분리막의 전면에 도포되는 방식으로 정량 펌프에서 공급되는 유량에 따라 도포 두께의 조절이 가능하다. 또한 딥 코팅은 슬러리가 들어있는 탱크에 기재를 담그어 코팅하는 방법으로, 슬러리의 농도 및 슬러리 탱크에서 기재를 꺼내는 속도에 따라 도포 두께의 조절이 가능하며 보다 정확한 도포 두께 제어를 위해 침지 후 메이어바 등을 통해 후계량할 수 있다.
이렇게 슬러리가 도포된 분리막을 오븐과 같은 건조기를 이용하여 건조함으로써 분리막의 적어도 일면 상에 금속 컨택층을 형성하게 된다. 이 후, 상기 금속 컨택층이 형성된 분리막 위에 다른 하나의 분리막을 위치시킨 후, 상기 2장의 분리막을 열 압착함으로써 분리막과 복수의 금속 입자 사이에 복수의 국소적 접촉을 형성할 수 있다.
도 1 및 도 4를 다시 참조하면, 측정 대상체(110)를 준비한 다음에는, 상기 측정 대상체(110)를 상부 지그(171)과 하부 지그(172) 사이에 협지시킨다(S120). 이는 측정 대상체(110)를 지그(170) 사이에 고정시키는 것으로, 고정시키는 방법에 특별한 제한은 없다.
그 다음, 제어부(140)는, 전압 인가부(120)를 이용하여 측정 대상체(110)가 협지된 상부 지그(171)과 하부 지그(172) 사이에 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압을 인가한다(S130).
S130 단계가 진행되는 동안, 제어부(140)는 전압 인가부(120)로부터 주기적으로 전압값을 입력 받아서 저장부(141)에 기록한다(S160). 전압값은 상부 지그(171)와 하부 지그(172) 사이에 인가되는 직류 전압 또는 펄스 전압의 크기를 나타낸다. 또한, 제어부(140)는 전류 측정부(130)로부터 상부 지그(171)과 하부 지그(172) 사이에 흐르는 전류값을 입력 받아서 저장부(141)에 기록한다(S140).
그 후, 제어부(140)는 전류 측정부(130)로부터 입력되는 전류값이 미리 설정된 임계치 이상일 때의 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정한다(S150).
바람직하게, 제어부(140)는 미리 설정된 기준 시간 동안 전류 측정부(130)로부터 입력된 전류값이 특정 임계치 이상으로 유지되는 조건이 성립될 때 상기 기준 시간이 경과된 직후에 전압 인가부(120)로부터 입력된 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정할 수 있다.
선택적으로, 상기 제어부(140)는 S130 단계에서 상부 지그(171)와 하부 지그(172) 사이에 직류 전압 또는 펄스 전압을 인가하는 동안 압력 인가부(150)를 제어하여 상부 지그(171)와 하부 지그(172) 사이의 간격을 조절함으로써 측정 대상체(110)에 압력을 인가할 수 있다. 이 때, 압력 크기는 5 KPa 내지 30 MPa의 범위 내에서 조절될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 제어부(140)는 S130 단계에서 상부 지그(171)와 하부 지그(172) 사이에 직류 전압을 인가하는 동안 가열부(160)를 제어하여 측정 대상체(110)를 소정의 온도로 가열할 수 있다. 이 때, 측정 대상체(110)의 온도는 -200 ℃ 내지 150 ℃의 범위 내에서 조절될 수 있다.
한편, 제어부(140)는 결정된 절연 파괴 전압의 크기를 디스플레이부(142)를 통해 출력할 수 있다(S170). 또한, 제어부(140)는 전압 인가부(120)로부터 주기적으로 입력되는 전압값의 변화 프로파일을 디스플레이부(142)를 통해 표시할 수 있다(S170). 이 때, 제어부(140)는 저장부(141)에 기록된 전압값 데이터를 참조할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 전류 측정부로부터 주기적으로 입력되는 전류값의 변화 프로파일을 디스플레이부(142)를 통해 표시할 수 있다. 이 때, 제어부(140)는 저장부(141)에 기록된 전류값 데이터를 참조할 수 있다.
본 발명에 있어서 전기화학소자는 전극 자체에 도전성이 있으며 다공성을 갖는 전극을 가지면 제한 없이 사용 가능하다. 예를 들면, 이차전지, 수퍼 커패시터, 축전지, 연료 전지 등에 사용 가능하다.
본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서, 상기 이차전지는 리튬이온 이차전지, 리튬폴리머 이차전지, 리튬메탈 이차전지, 리튬이온 폴리머 이차전지일 수 있다.
실시예
이하에서는 실시예를 통해 측정 대상체의 구조에 따른 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법을 구체적으로 설명한다. 그러나, 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1 - 다공성 코팅층이 형성된 분리막의 제조
상온에서 Al2O3 무기물 입자(일본경금속사社, LS235, 입자크기 500nm), 바인더 고분자 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체 (polyvinylidene fluoride-cohexafluoropropylene)를 용매 아세톤에 투입하고 교반하여 균일한 다공성 코팅층 형성용 슬러리를 준비하였다. 상기 무기물 입자 : 바인더 고분자 : 용매의 비율은 16 : 2 : 82 (중량비)이었다. 구체적으로 바인더 고분자를 아세톤에 투입하여 균일하게 교반한 후 무기물 입자를 투입하여 다공성 코팅층 형성용 슬러리를 준비하였다.
Dip coating 방식 이용하여 상기 다공성 코팅층 형성용 슬러리를 두께 7㎛ 폴리에틸렌 다공성 기재 (Asahi Kasei社, 습식 분리막, 통기시간 160초/100cc)의 양면에 도포하고 건조하여 다공성 코팅층이 형성된 분리막을 준비하였다. 다공성 코팅층의 두께는 2.5 um 이었다. 분리막의 총 두께는 12 um 이었다.
실시예 1 - 금속 메쉬 SRS A
제조예 1에 따른 분리막을 2장 준비하였다. 준비된 2장의 분리막 사이에 금속 메쉬(다부 社, SUS316L Mesh 300)를 삽입한 후 2장의 분리막을 히터가 구비된 평판 프레스를 이용하여 온도 70℃, 압력 4MPa, 시간 1 sec 동안 열 압착하였다. 상기 금속 메쉬에서 위사와 경사의 직경은 각각 36um 이었다.
다음으로, 열 압착된 분리막을 서로 대면하는 한 쌍의 지그 사이에 장착하였다. 지그 장착시 측정 대상체인 열 압착된 분리막에 10KPa의 압력을 인가하였다.
이후 본 발명에 따른 분리막 절연 특성 평가 시스템 및 분리막 절연 특성 평가 방법을 이용해 상기 측정 대상체의 절연 특성을 평가하였다.
상기 대면하는 한 쌍의 지그에 직접 연결된 전압 인가부에서 인가하는 직류 전압은 시간이 흐름에 따라 0 V 에서 5,000 V가 되도록 100V/sec의 속도로 점차적으로 증가시켰다. 이 때, 한 쌍의 지그에 직접 연결된 전류 측정부에서 측정된 전류의 측정값이 0.5 mA 이상으로 3초간 유지되었을 때의 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정하였다. 도 5는 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2에 따라 준비된 측정 대상체에 대하여 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압을 인가하였을 때의 절연 파괴 전압을 플로팅한 그래프이다.
비교예 1
제조예 1에서 제조한 분리막 2장을 상온(25℃) 10 KPa 조건에서 라미네이션 시켰다. 이후 라미네이션 된 측정 대상체를 지그 사이에 장착하였다. 상기 분리막을 측정 대상체로 장착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 절연 파괴 전압을 측정하였다. 도 5는 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2에 따라 준비된 측정 대상체에 대하여 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압을 인가하였을 때의 절연 파괴 전압을 플로팅한 그래프이다.
제조예 2 - 다공성 코팅층이 형성된 분리막의 제조
상온에서 Al2O3 무기물 입자(일본경금속사社, LS235, 입자크기 500nm), 바인더 고분자 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체 (polyvinylidene fluoride-cohexafluoropropylene)를 용매 아세톤에 투입하고 교반하여 균일한 다공성 코팅층 형성용 슬러리를 준비하였다. 상기 무기물 입자 : 바인더 고분자 : 용매의 비율은 17 : 3 : 82 (중량비)이었다. 구체적으로 바인더 고분자를 아세톤에 투입하여 균일하게 교반한 후 무기물 입자를 투입하여 다공성 코팅층 형성용 슬러리를 준비하였다.
침지법을 이용하여 상기 다공성 코팅층 형성용 슬러리를 두께 9um 폴리에틸렌 다공성 기재 (Shanghai Energy New Materials Technology社, 습식 분리막, 통기시간 140초/100cc)의 양면에 도포하고 건조하여 다공성 코팅층이 형성된 분리막을 준비하였다. 다공성 코팅층의 두께는 1.5 um이었다. 분리막의 총 두께는 12 um 이었다.
실시예 2 - 금속 메쉬 SRS B
제조예 2에서 제조된 분리막을 2장 준비하였다. 준비된 2장의 분리막 사이(에 금속 메쉬(다부社, SUS316L Mesh 300)를 삽입한 후 2장의 분리막을 히터가 구비된 평판 프레스를 이용하여 온도 70℃, 압력 4MPa, 시간 1 sec 동안 열 압착하였다. 상기 금속 메쉬에서 위사와 경사의 직경은 각각 36um 이었다.
다음으로, 열 압착된 분리막을 서로 대면하는 한 쌍의 지그 사이에 장착하였다. 지그 장착시 측정 대상체인 열 압착된 분리막에 10KPa의 압력을 인가하였다.
이후 본 발명에 따른 분리막 절연 특성 평가 시스템 및 분리막 절연 특성 평가 방법을 이용해 상기 측정 대상체의 절연 특성을 평가하였다.
상기 대면하는 한 쌍의 지그에 직접 연결된 전압 인가부에서 인가하는 직류 전압은 시간이 흐름에 따라 0 V 에서 5,000 V가 되도록 100 V/sec의 속도로 점차적으로 증가시켰다. 이 때, 한 쌍의 지그에 직접 연결된 전류 측정부에서 측정된 전류의 측정값이 0.5 mA 이상으로 3초간 유지되었을 때의 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정하였다. 도 5는 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에 따라 준비된 측정 대상체에 대하여 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압을 인가하였을 때의 절연 파괴 전압을 플로팅한 그래프이다.
비교예 2
제조예 2에서 사용한 분리막 2장을 상온(25℃) 10 KPa 조건에서 라미네이션 시켰다. 이후 라미네이션 된 측정 대상체를 지그 사이에 장착하였다. 상기 분리막을 측정 대상체로 장착한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 절연 파괴 전압을 측정하였다. 도 5는 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2에 따라 준비된 측정 대상체에 대하여 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압을 인가하였을 때의 절연 파괴 전압을 플로팅한 그래프이다.
실시예 3 - 철 분말
입자 크기가 50㎛~ 150㎛인 입자로 된 철 분말 10mg을 제조예 1에 따른 분리막 1장의 표면 가운데 지름 30mm인 원 영역 안에 고르게 도포하였다. 금속 컨택층이 형성된 분리막 위에 제조예 1에 따른 다른 분리막을 상온(25℃)에서, 미가압 상태로 위치시켰다.
지그 장착시 측정 대상체인 상기 분리막에 10KPa의 압력을 인가하였다.
상기 2장의 분리막을 포함하는 측정대상체를 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 측정 대상체의 절연 특성을 평가하였다.
비교예 3
제조예 1에서 제조된 분리막 2장을 상온(25℃) 10 KPa 조건에서 라미네이션 시켰다. 이후 라미네이션 된 측정 대상체를 지그 사이에 장착하였다. 상기 분리막을 측정 대상체로 장착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 절연 파괴 전압을 측정하였다. 도 6는 비교예 3 내지 4, 실시예 3 내지 4에 따라 준비된 측정 대상체에 대하여 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압을 인가하였을 때의 절연 파괴 전압을 플로팅한 그래프이다.
실시예 4 - 철 분말
제조예 2에서 제조된 분리막을 이용하여 금속 컨택층이 개재된 측정 대상체를 제조하고, 상기 측정 대상체에 온도 25℃를 가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 측정 대상체의 절연 특성을 평가하였다. 도 6은 실시예 3 내지 4, 비교예 3 내지 4에 따라 준비된 측정 대상체에 대하여 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압을 인가하였을 때의 절연 파괴 전압을 플로팅한 그래프이다.
비교예 4
제조예 2에서 제조된 분리막 2장을 상온(25℃) 10 KPa 조건에서 라미네이션 시켰다. 이후 라미네이션 된 측정 대상체를 지그 사이에 장착하였다. 상기 분리막을 측정 대상체로 장착한 것을 제외하고는 실시예 1와 동일하게 절연 파괴 전압을 측정하였다. 도 6는 실시예 3 내지 4, 비교예 3 내지 4에 따라 준비된 측정 대상체에 대하여 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압을 인가하였을 때의 절연 파괴 전압을 플로팅한 그래프이다.
실시예 1 내지 2는 2장의 측정 대상체로서, 분리막 사이에 금속 메쉬를 금속 컨택층으로 개재하고, 단지 사용한 분리막의 종류만을 각각 다르게 한 것이다. 비교예 1 내지 2는 제조예 1 내지 2에서 제조된 분리막을 측정 대상체로 사용한 것이다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1 내지 2의 분리막을 비교할 경우, 비교예 2의 경우가 보다 높은 절연 파괴 전압을 갖는다고 평가할 수 있다. 그러나, 분리막과 전극을 라미네이션한 경우를 모사한 실시예 1 및 2의 경우의 절연 파괴 전압은 비교예 1 내지 2와 서로 반대되는 경향을 나타내었다. 구체적으로, 비교예 2의 절연 파괴 전압 보다 낮은 분리막을 사용하였던 비교예 1의 분리막을 이용하여 금속 메쉬를 개재한 경우, 즉 실시예 1의 경우가 보다 높은 절연 파괴 전압을 갖는다고 평가할 수 있다. 반면, 비교예 2의 분리막을 사용한 실시예 2의 경우 라미네이션 후의 절연 파괴 전압이 보다 큰 차이로 낮아진다.
또한, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 및 2는 각각 실시예 1 및 2의 실제 전극 조립체와 유사한 경향성을 나타냄을 확인할 수 있다.
이로부터 본 발명에 따른 분리막의 절연 특성 평가 방법을 이용하는 경우, 전극과 라미네이션된 분리막에 대한 절연 특성을 신뢰성 있게 평가할 수 있다.
실시예 3 및 실시예 4는 측정 대상체로서, 분리막 사이에 금속 컨택층을 개재하고, 상기 금속 컨택층이 복수의 금속 입자로 이루어진 경우를 모사한 것이다. 비교예 3 내지 4는 각각 제조예 1 내지 2에서 제조된 분리막만을 측정 대상체로 사용한 경우이다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 비교예 3 내지 4의 경우는 분리막 자체에 대한 절연 파괴 전압을 평가한 경우이다. 반면, 실시예 3과 실시예 4는 분리막 사이에 금속 컨택층을 개재하여 실제 전극 조립체를 모사한 것이다. 도 6을 참조하면, 분리막을 라미네이션 하기 전에는 비교예 4의 경우가 비교예 3의 경우보다 높은 절연 파괴 전압을 갖는다고 평가할 수 있다. 그러나, 분리막과 전극을 라미네이션한 경우를 모사한 실시예 3 및 4의 경우의 절연 파괴 전압은 비교예 3 내지 4와 서로 반대되는 경향을 나타내었다.
도 5와 도 6을 비교할 때, 분리막 사이에 금속 메쉬를 개재한 경우인 실시예 1 내지 2의 경우가, 분리막 사이에 철 분말을 개재한 경우인 실시예 3 내지 4보다 전극 조립체를 보다 유사하게 모사함을 알 수 있다. 이는 실시예 1 내지 2에 따른 금속 메쉬의 위사와 경사의 직경이 실시예 3 내지 4에 따른 철 분말의 입자 크기 보다 양극 활물질의 직경과 보다 유사하기 때문인 것으로 보인다.
실시예 1 내지 2의 경우, 2장의 분리막을 중첩시키는 경우에 약 4 MPa의 압력이 가해진다.
반면, 철 분말을 사용하는 실시예 3 내지 4의 경우, 2장의 분리막을 미가압 상태에서 위치시키며, 상기 분리막을 지그 사이에 장착하는 경우에만 단지 10KPa 의 압력이 가해진다. 이 때, 10KPa 이란 상/하부 지그 중 보다 작은 지그의 면적을 기준으로 계산된 것이다.
한편, 실시예 3 내지 4에 있어서 2장의 분리막이 미가압 상태로 위치되더라도 즉, 단지 10 KPa의 압력만이 가해지더라도, 철 분말과 분리막 사이에 실질적으로 작용하는 압력은 상기 10 KPa에 비해 보다 큰 값이 될 것으로 보인다. 철 분말과 분리막 사이에 실질적으로 작용하는 압력은 압력 = 하중 / 면적으로, 철 분말에 따른 입자 하나 하나에 상기 4 MPa 이상의 압력이 인가되기 때문이다.
따라서, 실제로 실시예 3 내지 4에 인가되는 압력은 실시예 1 내지 2에 비해 현저히 클 것으로 예상되며, 이에 따라 실시예 3 내지 4가 실시예 1 내지 2에 비해 절연 파괴 전압이 낮게 측정된다.
즉, 실시예 3 내지 4는 고압의 장비를 사용하지 않으면서도 전극 조립체의 절연 파괴 전압 성질을 파악하기 위한 것이다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
110: 측정 대상체
120: 전압 인가부
130: 전류 측정부
140: 제어부
141: 저장부
142: 디스플레이부
150: 압력 인가부
160: 가열부
170: 지그
171: 상부 지그
172: 하부 지그
210: 측정 대상체
211: 분리막
212: 분리막
213: 금속 컨택층
220: 전압 인가부
230: 전류 측정부
240: 제어부
250: 압력 인가부
260: 가열부
271: 상부 지그
272: 하부 지그
281: 금속박
282: 금속박
300: 분리막의 절연 특성 평가 시스템
310: 측정 대상체
311: 분리막
312: 분리막
313: 금속 컨택층
320: 전압 인가부
330: 전류 측정부
340: 제어부
350: 압력 인가부
360: 가열부
370: 지그
371: 상부 지그
372: 하부 지그
381: 금속박
382: 금속박

Claims (15)

  1. 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법에 있어서,
    (a) 분리막 표면과 복수의 국소적 접촉을 형성하도록 금속 컨택층이 2장의 분리막 사이에 개재된 측정 대상체를 준비하는 단계;
    (b) 상기 측정 대상체를 상부 지그와 하부 지그 사이에 협지시키는 단계;
    (c) 전압 인가부를 이용하여 상기 상부 지그와 상기 하부 지그 사이에 시간에 따라 크기가 변화하는 전압을 인가하는 단계;
    (d) 전류 측정부로부터 상기 상부 지그와 상기 하부 지그 사이에 흐르는 전류의 측정값을 입력 받는 단계; 및
    (e) 제어부가 상기 전류 측정값이 미리 설정된 임계치 이상일 때의 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 컨택층은, 금속 메쉬로 이루어지고,
    상기 (a) 단계는, 2장의 분리막 사이에 상기 금속 메쉬를 삽입하는 단계 및 상기 금속 메쉬가 삽입된 상기 2장의 분리막을 열 압착함으로써 분리막과 금속 메쉬 사이에 복수의 국소적 접촉을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 컨택층은 복수의 금속 입자를 포함하는 금속 입자층으로 이루어지고,
    상기 (a) 단계는, 상기 2장의 분리막 중 어느 하나에 복수의 금속 입자를 입자 상으로 흩뿌리는 단계; 및 상기 복수의 금속 입자가 흩뿌려진 분리막 위에 다른 하나의 분리막을 위치시킴으로써 분리막과 복수의 금속 입자 사이에 복수의 국소적 접촉을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 컨택층은 복수의 금속 입자 및 이들을 결합하는 유기 바인더를 포함하는 금속 입자층으로 이루어지고,
    상기 (a) 단계는, 상기 복수의 금속 입자, 상기 유기 바인더 및 휘발성 용매를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계; 상기 2장의 분리막 중 어느 하나의 분리막 상에 상기 슬러리를 도포하고 건조하여 금속 컨택층을 형성하는 단계; 및 상기 금속 컨택층이 형성된 분리막 위에 다른 하나의 분리막을 위치시킨 후 상기 2장의 분리막을 열 압착함으로써 분리막과 복수의 금속 입자 사이에 복수의 국소적 접촉을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 컨택층의 면적은 분리막 전체 면적 기준으로 60 내지 70%이며,
    상기 금속 컨택층은 분리막 가장자리로부터 소정 폭만큼 이격된 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 금속 메쉬는 위사와 경사의 직경이 15 내지 2000 ㎛이고, 위사와 경사의 간격이 15 내지 10000 ㎛인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 금속 입자층에 포함된 금속 입자는 15 내지 1000 ㎛ 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    제어부가 상기 전류 측정값이 미리 설정된 기준 시간 동안 상기 임계치 이상일 때 상기 기준 시간이 경과된 직후에 측정된 전압값을 절연 파괴 전압으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에, 상기 측정 대상체와 상기 상부 지그 사이 및 상기 측정 대상체와 상기 하부 지그 사이에 금속박을 개재시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 상부 지그와 상기 하부 지그에 압력을 인가하여 상기 측정 대상체를 가압하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 상부 지그와 상기 하부 지그 중 적어도 어느 하나를 가열하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 상부 지그와 상기 하부 지그에 인가하는 압력은 5 KPa 내지 30 MPa인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 결정된 절연 파괴 전압을 저장부에 기록하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 결정된 절연 파괴 전압을 디스플레이부에 표시하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전압은 시간에 따라 크기가 증가하는 직류 전압 또는 펄스 전압인 것을 특징으로 하는 전기화학소자용 분리막의 절연 특성 평가 방법.

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