막

분리막

일진머티리얼즈가 생산하는 동박(제품명 일렉포일) ⓒ일진

배터리 이온 전달막

막(membrane, 膜)은 무언가를 감싸면서 경계를 이루는 얇은 층이다. 즉 경계면을 형성하는 얇고 유연한 물질이다. 생체막 등 여러 가지 재료가 있다. 천연막으로는 세포막, 피부 등이 있으며 천연물을 다소라도 합성, 화학적으로 처리한 것으로는 고무나 셀룰로스의 유도체 등이 있다.

상세

• 분리막 : 리튬이온 배터리에는 배터리의 양극과 음극이 서로 접촉하지 않고 리튬이온만 이동할 수 있게 하는 미세한 기공의 얇은 막이 있는데 분리막이라고 한다. 분리막은 필름표면에 미세한 기공을 가지고 있는 얇은 막으로, 리튬이온 배터리의 양극과 음극이 접촉하지 않고 기공을 통해 이동하도록 하는 역할을 수행한다. 양극과 음극에 있는 물질이 서로 닿을 경우 리튬이온의 움직임이 증가하면서 제어가 안되면 폭발할 가능성이 있다. 양극과 음극이 서로 닿지 않으면서 리튬이온만 잘 이동할 수 있게 하는 것이 바로 분리막 기술의 핵심이라고 할 수 있다. 주로 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 또는 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 소재를 사용하며, 제조공정에 따라 습식과 건식으로 구분된다. 습식은 주로 휴대폰이나 노트북 등 소형 배터리와 전기차 배터리 등에 탑재되며 건식은 에너지저장장치, 전기 시내버스처럼 높은 에너지 밀도를 필요로 하지 않는 영역에서 사용된다.

• 동박 : 구리(Cu)를 고도의 고도의 공정 기술로 얇게 만든 막이다. 구리막은 2차전지 음극 소재로 쓰인다. 이런 전지용 동박은 얇을수록 많은 음극활물질을 채울 수 있어 배터리 고용량화와 경량화를 가능하게 한다. 열을 외부로 방출하고 형상을 유지시키는 역할을 한다. 구리막이라고도 한다. 동박은 고도의 공정제어 기술과 설비 경쟁력을 기반으로 얇고 넓고 균일한 표면의 구리 호일을 길게 만드는 것이 핵심이다. 국내 일진머티리얼즈가 동박을 생산하고 있다.

• 나피온막 : 연료전지의 성능을 향상시키기 위한 핵심소재이다. 나피온과 같은 불소계 막 시장은 최근 3년 사이 80배 가량 성장했으며 2022년에는 1.1조원 가량의 시장을 형성할 것으로 예상되고 있다. 나피온막은 국내에서 생산 초기 단계이며 고가의 원료로부터 고성능 막을 제조하는 기술은 국내외적으로 산업적인 파급효과가 매우 크다. 나피온은 전체 구조를 지탱하는 백본(backbone)과 전하를 전달하는 작용기(functional group)로 구성된다. 광주과학기술원(GIST)은 지구‧환경공학부 문승현 교수 연구팀은 막을 제조함과 동시에 작용기가 이온과 형성하고 있는 쌍극자(dipole)에 전기적인 힘을 가해 무작위로 퍼져있는 구조 내의 작용기를 규칙적으로 정렬하고자 하였다.

• 이온전달막 : 한국화학연구원(원장 김성수) 홍영택·김태호·이장용 화학소재본부 박사팀이 바나듐 레독스 흐름 배터리에 쓰이는 새로운 이온전달막을 개발했다. 이온전달막은 바나듐 레독스흐름 배터리 성능과 수명을 좌우하는 핵심 소재이다. 이온전달막은 배터리 내 화학반응에 필요한 수소이온을 통과·전달하는 역할을 한다. 그동안 '과불화탄소계' 이온전달막을 주로 썼지만 가격이 비싸고 전달 성능이 낮다. 환경에 유해하다는 단점도 있다. 연구팀은 세계에서 처음으로 값비싼 과불화탄소계 소재를 쓰지 않는 '비과불화탄소계' 이온전달막을 개발했다. 강한 산인 '술폰산기'를 띠는 '폴리페닐렌' 구조를 썼다. 이 이온전달막은 내구성 등 성능이 뛰어나다. 분자 구조 연결고리가 단단하고, 강화 복합막 형태로 제조해 내구성을 높였다. 전류 밀도가 높아도 강한 내구성과 우수한 성능을 보인다.

참고자료

• 김영준 기자, 〈화학연, 차세대 배터리용 이온전달막 개발...기술 이전해 상용화 추진〉, 《전자신문》, 019-02-25
• 기계신문, 〈연료전지, 배터리 성능향상을 위한 나피온막 제어기술 개발〉, 《네이버 포스트》, 2018-11-20
• 손병문 기자, 〈일진머티리얼즈, 유럽 배터리 소재 공장 건설 확정〉, 《이비엔》, 2020-12-17

같이 보기

• 박막
• 분리막

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