습식분리막은 PE, PP 분말에 기름을 섞고 고온, 고압으로 반죽해 납작하게 뽑아내는 방식이다. 서서히 굳히면서 그 사이사이에 들어있는 기름을 뽑아내면 기름이 있던 부분에 리튬이온이 통과할 길목인 기공이 만들어진다. 제조 공정이 복잡하고 단가는 높지만 균일하게 기공의 사이즈를 만들고 박막화도 가능하다는 장점이 있다.[1]
한국의 SK아이이테크놀로지(SKIET)는 2020년 세계 습식분리막 시장 점유율 1위를 차지했으며, 일본의 아사히카세이가 습식분리막 2위 업체로 선정되었다. SKIET는 오는 2023년 습식분리막 생산능력을 27억3000만㎡로 끌어올려 아사히 카세이와의 생산능력 격차를 벌릴 계획이다. SKIET는 습식 시장 점유율 확대를 위해 2023년까지 폴란드(15억4000만㎡)를 중심으로 중국(6억8000만㎡)·증평(5억4000만㎡) 생산량을 지속 확대할 계획이다. 같은 기간 아사히 카세이도 2023년까지 습식 생산능력을 13억5000만㎡까지 확대한다. 지금보다 3만5000㎡ 늘어난 규모지만 SKIET 습식 생산능력에는 미치지 못한다.[2]
SKIET는 습식분리막 기술 격차도 확대한다. 이 회사는 축차 연신 기술을 통해 고객 요구에 맞춰 분리막 두께와 물성을 자유자재로 조절할 수 있다. 축차 연신은 세로 방향 및 가로 방향으로 늘이는 정도를 자유자재로 조절할 수 있다. 회사는 축차 연신 기술로 4마이크로미터(㎛) 두께의 초박막 분리막 구현이 가능하다.
상세
분리막은 제조 방식에 따라 습식분리막과 건식분리막으로 구분된다. 습식분리막은 제조 공정이 복잡하고 필요로 하는 소재가 상대적으로 많다. 단가는 건식분리막 대비 높지만, 박막화가 가능해 높은 에너지밀도 확보가 용이하다. 일반적으로 전기차 2차전지에 많이 사용한다. 습식분리막은 첨가제를 추가해 화학적 방법으로 기공을 제조한다. 기공 크기를 균일하게 만들 수 있어 리튬이온이 더욱 용이하게 이동할 수 있을 뿐 아니라 기계적 강도가 더욱 강하다. 다만 제조공정이 복잡해 가격대가 더 높다.
습식 공정은 고가의 제조 방법이지만 일반적으로 더 강력하고 얇은 분리기를 생산한다. 폴리에틸렌PE은 일반적으로 사용되는 폴리머로 다른 첨가제 왁스와 혼합되어 균질한 용액을 만들어 얇은 겔형 시트로 압출한 후 어닐링(느리게 냉각)한다. 시트는 두 방향으로 신장되고 휘발성 용매에 노출되어 다공정 시트를 떠나는 첨가제 왁스를 제거한다. 이 방법을 사용하여 40~50%의 다공성을 달성할 수 있다. 이 방식은 초기 투자비용이 많고 유해물질이 발생한다는 단점이 있지만 제작이 간편하고 기공이 균일하다는 장점이 있어 휴대폰이나 노트북 등 소형 모바일용 배터리에도 쓰인다.[3]
장단점
- 고밀도 폴리에틸렌이 유전율이 높아 주로 사용된다.
- 세계 분리막 시장에서 70% 이상 비중을 차지한다.
- 습식분리막은 화학적 상분리에 의해서 구멍이 형성되어서 구멍의 크기가 균일하다.
- 구멍이 불규칙적으로 분포하여서 기계적 강도가 높다.
- 구멍이 불규칙하게 분포하여 분리특성은 좋으나, 이온 통과경로가 복잡하다.(낮은 기공도, 저출력)
- 용제에 의해서 폴리머의 결정구조가 불균질하여서 열적 안정성이 떨어진다.
- 습식분리막은 정량출력 및 장시간 배터리 성능을 유지해야 하는 전기기기에 유리하다.
- 초기투자비용이 많고 유해물질이 발생한다.
- 제작이 간편하다.
- 건식에 비해 품질이 좋다.[4]
분리막의 조건
- 절연성이 좋아야 한다.
- 이온 전도시 저항을 최소화하기 위해 전해액과의 친화력이 높아야 한다.
- 이온의 흐름을 원활히 하기 위해서 다공성도 높고 얇아야 한다.
- 배터리 에너지 밀도에 영향을 주게 하지 않기 위해 얇아야 한다.
- 안정성을 보장받기 위해서 일정 수준의 기계적 강도도 유지해야 한다.
- 전해액에 대한 화학적 안정성과 전기 화학적인 안정성이 확보되어야 한다.
- 일정한 온도 이상이 될 때, Shut-down이 되어 이온의 이동을 차단할 수 있어야 한다.(화학 조리개 기능)
각주
- ↑ 이윤애 기자, 〈(Tech 스토리) 코나EV 화재 원인 지목된 '배터리 분리막'〉, 《뉴스핌》, 2020-10-18
- ↑ 김지웅 기자, 〈SK이노, '습식 분리막' 초격차 승부수…日 아사히 카세이와 격차 두배로 늘린다〉, 《전자신문》, 2021-04-04
- ↑ 럭킴, 〈리튬이온 배터리 기초 5. 분리막이란?〉, 《티스토리》, 2020-06-15
- ↑ 4.0 4.1
hhs4040, 〈2차전지 분리막 정리(공정, 종류, 조건 등...)〉, 《네이버 블로그》, 2018-12-18
참고자료
- 이윤애 기자, 〈(Tech 스토리) 코나EV 화재 원인 지목된 '배터리 분리막'〉, 《뉴스핌》, 2020-10-18
- 김지웅 기자, 〈SK이노, '습식 분리막' 초격차 승부수…日 아사히 카세이와 격차 두배로 늘린다〉, 《전자신문》, 2021-04-04
- 럭킴, 〈리튬이온 배터리 기초 5. 분리막이란?〉, 《티스토리》, 2020-06-15
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