[논문]폴리올레핀계 다공성 세퍼레이터 지지체 막의 친수 코팅에 따른 특성 평가

박윤환; 남상용

doi:10.14579/membrane_journal.2017.27.1.92

폴리올레핀계 다공성 세퍼레이터 지지체 막의 친수 코팅에 따른 특성 평가
Characterization of Polyolefin Separator Support Membranes with Hydrophilic Coatings 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.27 no.1, 2017년, pp.92 - 103

박윤환 (경상대학교 나노신소재융합공학과 공학연구원) , 남상용 (경상대학교 나노신소재융합공학과 공학연구원)

초록
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본 연구에서는 리튬이온전지용 친수화된 세퍼레이터의 전기화학적 성능에 대한 연구를 진행하였다. 리튬이온전지용 분리막으로 사용되는 폴리올레핀 소재는 소수성이고, 카보네이트 계열의 유기용매를 사용하는 전해액은 친수성을 가진다. 따라서 리튬이온전지는 수계전해액을 사용하기 때문에 폴리올레핀계 분리막에 다양한 친수성 고분자를 도입하여 친수화 처리하였다. 코팅된 세퍼레이터의 변화를 평가하기 위해, 표면 관찰, 코팅시간에 따른 친수화도, 다공성, 젖음성에 대한 특성평가를 수행하였다. 최종적으로 리튬이온이 코팅된 세퍼레이터의 저항과., 이온전도도를 측정하여 리튬이온전지 성능평가를 진행하였다. PMVE로 코팅한 세퍼레이터의 친수화 정도가 우수하며, 세퍼레이터의 기공이 잘 유지되어 우수한 이온전도도를 나타냄으로써 이차전지 배터리에 적용을 위한 잠재성을 가짐을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, electrochemical performance of the hydrophilized separator for the lithium ion battery is studied. The polyolefin based material used as the separator for the lithium ion battery is hydrophobic, and the electrolytic solution using a carbonate-based organic solvent is hydrophilic. Therefore, the polyolefin separator is hydrophilized using various hydrophilic polymers because lithium ion battery uses an aqueous electrolyte solution. In order to evaluate change of the coated separator, the performances of separator in terms of surface morphology, porosity and the wettability are investigated. Finally, the resistance and the ionic conductivity of separator coated with lithium ion are measured to evaluate the performance of lithium ion battery. Separator coated with PMVE shows good hydrophilicity and excellent ionic conductivity because the porosity of the separator is maintained. We can confirm that this property makes potential candidates for lithium ion battery.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

우수한 친수성을 가지는 세퍼레이터를 제조하기 위해 EVOH, PMVE, Pluronic 3가지 친수성 고분자들을 도입하였다. 친수성 고분자들로 세퍼레이터를 코팅한 결과 PMVE 1 wt% 코팅용액으로 20분간 코팅하였을 때 36°로 가장 우수한 친수화 정도를 나타내었다.

제안 방법

본 연구에서는 상용화되어 있는 세퍼레이터에 다양한 친수성 고분자들을 도입하여 dip-coating방법으로 친수성을 부여하였다. 기본적인 특성평가들로 코팅된 세퍼레이터의 표면 특성과, 코팅 시간에 따른 친수화 정도를 알아보았으며, 또한 내부 기공 구조를 파악하기 위해 다공성 정도, 유기계 전해액의 젖음성 정도를 알아보았다. 마지막으로 리튬이온이 코팅된 세퍼레이터를 통과할 때의 저항을 측정하였고, 또한 이온전도도를 측정하여 코팅된 세퍼레이터의 배터리 성능을 알아보았다.
기본적인 특성평가들로 코팅된 세퍼레이터의 표면 특성과, 코팅 시간에 따른 친수화 정도를 알아보았으며, 또한 내부 기공 구조를 파악하기 위해 다공성 정도, 유기계 전해액의 젖음성 정도를 알아보았다. 마지막으로 리튬이온이 코팅된 세퍼레이터를 통과할 때의 저항을 측정하였고, 또한 이온전도도를 측정하여 코팅된 세퍼레이터의 배터리 성능을 알아보았다.
본 연구에서는 상용화되어 있는 세퍼레이터에 다양한 친수성 고분자들을 도입하여 dip-coating방법으로 친수성을 부여하였다. 기본적인 특성평가들로 코팅된 세퍼레이터의 표면 특성과, 코팅 시간에 따른 친수화 정도를 알아보았으며, 또한 내부 기공 구조를 파악하기 위해 다공성 정도, 유기계 전해액의 젖음성 정도를 알아보았다.

대상 데이터

이차전지 세퍼레이터는 더블유스코프코리아(주)(W-SCPE Co., Ltd.)로부터 제공받은 샘플을 사용하였으며, 50µm의 두께를 가지고 high-density polyethylene (HDPE)로 제조된 상용화된 지지체 샘플이다. 친수화 코팅 소재로는 ethylene vinyl alcohol (EVOH E105B, Kuraray, 44 mol% Ethylene vinyl alcohol copolymer), poly (methyl vinyl ether) (PMVE, TCI, 30% in Water)와 poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-blockpoly(ethyleneglycol) (Pluronic P-123, Sigma-aldrich, average Mn~5,800)을 사용하였다.
)로부터 제공받은 샘플을 사용하였으며, 50µm의 두께를 가지고 high-density polyethylene (HDPE)로 제조된 상용화된 지지체 샘플이다. 친수화 코팅 소재로는 ethylene vinyl alcohol (EVOH E105B, Kuraray, 44 mol% Ethylene vinyl alcohol copolymer), poly (methyl vinyl ether) (PMVE, TCI, 30% in Water)와 poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-blockpoly(ethyleneglycol) (Pluronic P-123, Sigma-aldrich, average Mn~5,800)을 사용하였다. 친수성 코팅 소재들을 희석시키는 용매로는 증류수를 사용하였으며, 소수성인 세퍼레이터가 코팅용액에 잘 침수될 수 있도록 2-propanol (IPA, Samchun, 99.

성능/효과

81 mS⋅cm^-1으로 가장 우수한 이온전도도 값이 나타난 것을 확인할 수 있었다. 전체적으로 종합해보면, 세 가지 고분자로 코팅한 세퍼레이터 모두 우수한 친수성을 나타내었으나 porosity, gurley number 등과 같은 기본적인 특성평가들은 코팅하기 전보다 성능이 낮게 나타났다. 하지만 리튬이온에 대한 전기적 특성평가 결과, PMVE로 코팅하였을 때 우수한 이온전도도를 나타내 이차전지 배터리용으로 가장 가능성이 있는 결론을 얻을 수 있었고, 뿐만 아니라 이산화탄소 분리막, 연료전지, 전기투석 등 다양한 분야의 지지체로도 사용이 가능하다는 것을 확인하였다.
전체적으로 종합해보면, 세 가지 고분자로 코팅한 세퍼레이터 모두 우수한 친수성을 나타내었으나 porosity, gurley number 등과 같은 기본적인 특성평가들은 코팅하기 전보다 성능이 낮게 나타났다. 하지만 리튬이온에 대한 전기적 특성평가 결과, PMVE로 코팅하였을 때 우수한 이온전도도를 나타내 이차전지 배터리용으로 가장 가능성이 있는 결론을 얻을 수 있었고, 뿐만 아니라 이산화탄소 분리막, 연료전지, 전기투석 등 다양한 분야의 지지체로도 사용이 가능하다는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬이온전지의 장점은 무엇인가?	1991년 일본의 SONY사에 의해 시장에 등장한 리튬이온전지는 기존 이차전지 대비 높은 에너지밀도(중량당 에너지밀도를 기준으로 납축전지 대비 5배, Ni-MH 전지 대비 3배 이상임)를 구현함으로써 휴대전자기기 대중화의 기틀을 마련했다. 그러나 3 V 이상의 높은 작동 전압으로 인해 기존 수계 전해질 대신 유기계 전해질(non-aqueous electrolyte)을 적용해야만 했고, 이로 인한 높은 전지 저항과 안전성 문제는 큰 이슈가 되었다.
	리튬이온전지의 한계점은 무엇인가?	1991년 일본의 SONY사에 의해 시장에 등장한 리튬이온전지는 기존 이차전지 대비 높은 에너지밀도(중량당 에너지밀도를 기준으로 납축전지 대비 5배, Ni-MH 전지 대비 3배 이상임)를 구현함으로써 휴대전자기기 대중화의 기틀을 마련했다. 그러나 3 V 이상의 높은 작동 전압으로 인해 기존 수계 전해질 대신 유기계 전해질(non-aqueous electrolyte)을 적용해야만 했고, 이로 인한 높은 전지 저항과 안전성 문제는 큰 이슈가 되었다. 특히, 유기계 전해질 사용으로 야기된 높은 전지 저항은 리튬이온전지 상용화에 큰 걸림돌이었고, 이에 대한 해결책으로 양극과 음극의 간격을 획기적으로 줄일 수 있는 박막 도입이 필수적이었다.
	폴리도파민을 세퍼레이터 표면 및 내부에 직접 코팅 시 얻을 수 있는 효과는 무엇인가?	그중에서, 세퍼레이터 표면 및 내부에 폴리도파민(polydopamine)을 직접 코팅하면, 폴리올레핀 세퍼레이터의 친수성을 크게 증가시킬 수 있다. 이를 통해, 세퍼레이터 내부 기공 구조에 유기계 전해액이 충분히 젖을 수 있도록 개선하여 이온전도도를 높이고 출력 특성을 향상 시킬 수 있었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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