2차전지 소재(분리막)

2차전지는 4가지 요소로 구성되어있다. 양극재, 전해액, 분리막, 음극재 이다. 그중 오늘은 분리막에 대해서 알아보자.

배터리는 양극과 음극이 있다. 양극의 리튬이온이 음극으로 이동하면서 배터리가 충전되며, 그 반대로 리튬 이온이 양극으로 이동하면 배터리가 방전이 되는 원리를 가지고 있다. 여기서 분리막은 전극을 분리해 합선을 방지를 통해 배터리의 안전성을 도모함과 동시에 리튬 이온만 통과시켜 전류를 발생시키는 중요 요소이다.

 

분리막 역할

분리막은 절연 소재를 얇은 막형태로 가공하여, 배터리 내부에서 양극과 음극이 서로 접촉하지 않도록 분리하고 있다. 2번째 역할은, 분리막에는 미세한 기공(pore)을 가지고 있어, 이 기공을 통해 리튬이온들이 양극과 음극 사이를 통과할 수 있도록 하는 역할을 하고 있다. 3번째로는 배터리의 내부 온도가 어느 수준 이상 상승할 경우, 분리막 표면에 위치한 기공(pore)들이 막혀 리튬이온의 이동을 차단함으로써, 내부적으로 전기쇼트가 나지 않도록 방지한다. 마지막으로 분리막은 높은 기계적 강도를 가지고 있어 외부 충격등을 받을 때 배터리 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질들을 막아 줌으로써 배터리가 고장나지 않도록 안전성을 확보해주는 역할을 한다.

 

분리막 구성요소

분리막은 현재 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)등 고분자 수지를 널리 쓰고 있다. 위 고분자 수지들은 높은 이온 전도도를 가지고 있으며, 단락등에 의한 비정상적인 전지 내부온도 상승시 기공들이 막혀 전류가 흐르지 못하게 하는 절연특성이 좋아 절연막 역할을 할 수 있기 때문에 가장 널리 사용된다

  폴리에틸렌(PE, Polyethylene)

   - PE는 아주 높은 내부식성과 내화학성을 가지는 결정성 열가소성 플라스틱이지만, 다른 플라스틱과 비교시 낮은 기계적 강도와 내열성을 보인다. 또한, 고압법, 중압법, 저압법에 따라 저밀도, 중밀도, 고밀도등으로 분류할 수 있으며 이렇기에 여러용도로 사용되고 있다.

  폴리프로필렌(PP, PolyPropylene)

   - 내열온도가 130~150℃로 끓는 물이나 전자레인지 사용이 가능할정도로 내열성이 뛰어나다. 이를 통해 각종 포장재 필름이나 가전부품, 자동제 외장재, 밀폐용기등으로 사용된다.

※ PP, PE 두 수지모두 무미무취의 인체에 무해한 재질이며, 환경호르몬이 검출되지 않는 친환경 플라스틱이다. 또한 100% 재활용이 가능한 친환경 소재로 쓰이고 있다.

 

분리막 종류

대표적인 분리막 소재인 폴리올레핀계(PE, PP)로 만든 분리막은 제조공정에 따라 건식분리막, 습식분리막, 강화분리막으로 구분된다.

 

건식분리막

 - 기계적인 힘으로 필름을 늘린 후 열처리하여 기공(pore)을 생성한는 방식으로, 제조방식이 쉽고 저렴하다. 또한 내열성이 뛰어나고, 기공기 직선 형상이라 리튬이온을 빠르게 통과시킬수 있다. 하지만, 기공의 크기가 각양각색으로 균일하지 않으며, 기계적 강도가 약하고, 얇게 만드는 박막화가 어렵다.

 - 건식분리막은 내열성이 유리하고 가격이 저렴하므로 주로 ESS(Energy Storage System), 전기 버스등의 배터리에 사용된다.

 - 제조공정

(출처: NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, 2020)

습식분리막

 - 폴리올레핀계 소재로 만든 필름에 첨가제를 추가하여 화학적 분리를 통해 기공을 만들고 열처리를 통해 제조하는 분리막이다. 화학적으로 제조하기 때문에, 얇게 만들 수 있어 박막화가 건식분리막보다 쉽고, 기공의 크기의 균일성이 높고, 기계적 강도가 높다. 하지만, 기공들이 불규칙하게 분포하기 때문에 리튬이온의 빠른 통과가 어려우며, 내열성이 취약하다. 그리고 건식 분리막에 비해 제조 단가가 비싸다.

 - 제조공정

(출처: NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, 2020)

 - 건식보다는 습식 분리막의 안정성이 더 좋고, 박막화가 우수해 전기차용 배터리에는 습식 분리막 사용이 증가하고 있다.

 

강화분리막(SRS)

 - SRS(Safety Reinforced Separator)는 LG화학에서 독자기술로 만든 고열에도 끄덕없는 분리막이다. 이건 세라믹 소재로 얇게 코팅해 안전성과 성능을 높였으며, 200도 이상의 열을 버틸수 있다. 폴리올레핀 계열로 만든 분리막이 녹는 온도 135도에 비해 굉장히 높다. 

- 이기술은 얇은 습식 분리막을 보완하기 위해서 베어(Bare)필름을 구입해 고유 기술을 통해 세라믹 코팅을 한다. 이를 통해 내부 단락을 방지하여 안전성을 높였다. 

 

※ 현재 활발히 연구중인 전고체배터리가 상용화된다면, 미래에는 분리막이 필요없지게 된다.