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분리막
분리막은 배터리의 양극과 음극이 서로 접촉하지 않고 리튬이온만 이동할 수 있게 하는 미세한 기공의 얇은 막이다. 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.
개요
양극재와 음극재, 전해질, 분리막을 2차전지의 4대 소재라 한다. 양극재와 음극재가 배터리의 성능을 결정짓는다면, 분리막은 배터리의 안정성과 연관이 깊다. 2차 전지의 무게에서 양극재는 약 40%, 분리막은 20% 가량을 차지한다.
분리막은 절연(絶緣) 성격의 얇은 필름 소재이다. 핵심 역할은 양극(+)과 음극(-)이 만나지 않게끔 분리하는 것이다. 양·음극이 뒤섞이면 전기 불꽃이 튀어 사고로 이어질 수 있다. 분리막은 전기차 배터리의 안전을 책임지고 있다.
리튬이온 배터리셀은 높은 전지 저항을 극복하기 위해 음극과 양극의 간격을 획기적으로 줄인 박막 분리막을 사용한다. 박막 분리막의 두께는 10~25 마이크로미터(㎛), 기공 크기는 10~500 나노미터(nm) 정도로 매우 작아서 리튬이온(Li+)이 빠르고 안전하게 이동할 수 있다.
분리막의 안전성을 높이기 위해 코팅을 한다. 분리막의 표면을 세라믹 코딩함으로써 최대 150℃ 정도의 높은 온도를 견딜 수 있다. LG전자는 분리막 코딩을 통해 '안전성 강화 분리막'(SRS)을 만들었다.
만약 배터리 분리막에 불량이 있을 경우, 음극과 양극이 직접 만나 열폭주(熱暴走)가 발생하여 대형 화재 사고가 발생할 수 있다. 열폭주는 온도 변화가 그 온도 변화를 더욱 가속시키는 통제 불가능한 양성 피드백이다.
2020년 10월 현대 코나 EV에 화재 사고가 발생했고, 국토부는 LG 배터리의 '분리막 결함' 때문이라고 발표했으며, 현대자동차는 모든 코나 EV 차량에 대해 리콜을 결정했다. 하지만, LG화학은 배터리 결함 때문이 아니라고 반박했다.
건식 & 습식 분리
분리막은 리튬이온이 오고가는 기공을 어떻게 만드느냐에 따라 건식과 습식으로 구분된다. 건식은 기계로 필름 원단을 당겨 기공을 만드는 반면, 습식은 여러 첨가제를 가미해 화학 결합을 일으켜 기공을 만든다. 건식의 경우, 제조공정은 간단하나 기공 사이즈가 불균일하고, 습식에 비해 기계적 강도도 약하다. 반면, 습식의 경우는 제조공정이 복잡해 고가지만 균일하게 기공의 사이즈를 만들 수 있다는 장점이 있다. 과거에는 분리막으로 필름 소재 하나만을 사용했지만, 최근에는 분리막의 성능을 강화하기 위해 다양한 소재와 방식으로 코팅하여 사용하고 있다.
좋은 분리막 조건
분리막은 다른 소재들과 달리 배터리의 안전성과 연관되어 있기 때문에 여러 조건들이 갖춰져야 한다. 우선 분리막으로 사용되려면, 전기화학적으로 안정적이어야하고, 절연성이 뛰어나야 한다. 양극과 음극의 접촉을 차단해야 하는데 분리막이 리튬이온이나 배터리 내부에 있는 다른 이온들과 반응해 버린다면, 마치 고양이에게 생선을 맡기는 것과 같다. 또한 리튬이온이 원활하게 분리막 사이를 통과할 수 있도록 분리막 표면에 구멍이 많아야 하며, 그 크기는 균일해야 한다. 구멍이 별로 없거나 들쭉날쭉하면, 리튬이온이 이동하는데 어려움이 있다. 그리고, 배터리의 온도가 일정 수준을 넘어섰을 때 분리막 자체적으로 기공을 막아(Shut-down) 리튬이온의 이동을 차단해 안전성을 확보할 수 있어야 한다. 배터리의 에너지 밀도 향상을 위해서는 두께가 얇아야 더 많은 양의 활물질을 넣을 수 있고, 그러면서도 분리막의 기계적 강도가 우수해야 쉽게 손상되지 않고 배터리의 안전성까지 확보할 수 있다.
관련기업
- 상해은첩'
상해은첩(上海恩捷, SEMCORP)은 저렴한 가격과 공격적 증설로 세계 1위의 분리막 회사로 성장했다. 모회사는 '창신신소재'(은첩고분)이다.
㈜LG화학은 상해은첩에서 1㎡ 당 1달러 이하의 가격으로 분리막 베어 필름(코팅이 안 된 분리막)을 구매한 후, 한국 명성티엔에스㈜의 코팅 기계를 사용하여 직접 코팅하여 분리막을 제조한다.
SK이노베이션㈜은 ㈜LG화학과 분리막 기술 특허 침해 소송에 휘말려, 생산량이 큰 폭으로 감소하고 있습니다. 한때 LG 배터리 분리막의 70%를 납품하였으나 소송 후 1%선으로 떨어졌다.
참고자료
- 리튬이온 배터리 혁신성장품목분석보고서 - https://ssl.pstatic.net/imgstock/upload/research/industry/1596760942991.pdf
같이 보기
