이차전지 K배터리 산업 : 분리막 기본 개념

2.3. 분리막

 

[그림] 이차전지 중앙에 위치한 분리막[우1] 

 

이 그림은 분리막이 강조된 그림으로 스펀지 같이 구멍이 보이는 구조이다. 일반적인 분리막은 얇은 비닐 같은 그런 모습입니다. 이차전지에서 분리막의 기능은 양극과 음극이 붙지 않게 물리적으로 막아주는 역할과 분리막 내부에 있는 미세한 구멍을 통해 리튬이온만 이동하게 하는 기능이 가장 중요하다.

 

[그림] 아사히 카세이 분리막 종류

 

아사히 카세이 Hipore와 Celgard 분리막 구조이다. 단면의 모습이고 표면을 SEM으로 확대한 사진이다. 기본적으로 단면은 PP/PE/PP로 구성이 되어 있다. 최근에 많이 적용되고 있는 세라믹 코팅 분리막이다. PP/PE/PP 재질위에 세라믹이 코팅이 되어 있어 분리막의 열경화성이나 강도를 강화한 제품이다. Ceramic, Polymer, Combined 형태로 되어 있고 전체 두께도 점점 얇아지는 추세이다.

 

[표] 기업별 분리막 사양

 

[표] 분리막 Specification

 

분리막이 가져야 하는 기본적인 기능은 Reel 부품 특징인 연신율, 두께 특성과 분리막 필요 특성인 리튬이온 이동성 기능을 측정하게 된다. 녹는점(Melting temperature)인 온도 220도 이상을 견뎌야 한다. 배터리를 연속 사용하면 온도가 올라가는 감을 스마트폰을 사용하면 알 수 있다. 배터리 내부 온도가 많이 올라가 분리막의 변형이 발생하면 양극과 음극이 만나게 되어 쇼트가 발생되면 배터리 화재가 날 수 있어 배터리 내부에서 발생하는 열을 견딜 수 있게 분리막은 내열성을 가져야 한다. 통기성(Air permeability)은 공기 통과량을 측정하여 이온 이동성을 측정한다. 구멍 크기(Pore size)는 통기성과 같이 이온 이동성을 대변한다. 공극율(Porosity)은 분리막 전체 부피 대비 공극이 차지하는 부피를 공극률이라 한다. 연신율(Tensile strength)은 분리막이 쉽게 찌저지거나 구멍이 나면 안되는 특성을 대변한다. 두께(Thickness)는 분리막이 배터리 내부에서 부피를 차지하기 때문에 배터리 두께에 영향을 줄 수 있다. 화학적인 저항성(Chemical resistance)은 분리막과 실제 접촉하는 전해액 성분에 의해 분리막이 변형이 되면 안되기 때문에 화학적 저항성을 가져야 한다. 유연성(Flexibility) 원통형배터리 같이 극판이 구형으로 말려 있는 경우 분리막도 극판과 같이 유연성을 가져야 양극과 음극을 분리하고 이온 이동 효율을 높일 수 있다.

 

2.3.1. 습식, 건식

분리막의 종류는 건식 및 습식 제조 방식 두 종류로 구분된다.

 

[그림] 분리막 형태 : (a) 건식 (b)습식

 

제조 방식의 차이가 있고 형태도 다른다. 건식은 양쪽으로 당겨서 나온 모양 형태로 나온다. 습식 형태는 균일하지 않는 형태를 가지고 있다. 발전 방향은 건식 방식에서 습식 제조 방식으로 변경되고 있다.

 

[표] 분리막 종류

 

건식, 습식 다음은 코팅 강화막 방식이다. 제조 가격은 건식 < 습식 < 강화막 순이다.

 

[그림] 건식 Dry process[우2] 

 

 

저렴하고 간단한 제조 방법으로 폴리 프로필렌 (PP) 또는 폴리에틸렌 (PE) 중합체는 얇은 시트로 압출되고, 이 전구체 필름은 결정 구조를 개선하기 위해 어닐링 (느리게 냉각)된다. 이어서 필름은 차가울 때 단일 방향으로 연신되고, 뜨거울 때 다시 연신된다. 콜드 스트레치는 기공 구조를 생성하고 핫 스트레치는 기공 크기를 증가시킨다. 이 방법을 사용하여 35-45 %의 다공성을 달성하고 3 층의 PP / PE / PP 분리막을 생성할 수 있다.

 

[그림] 습식 Wet process

 

건식 방식 대비 고가의 제조 방법이지만 일반적으로 더 강력하고 얇은 분리막을생산할 수 있다. 폴리에틸렌 (PE)은 일반적으로 사용되는 폴리머로, 다른 첨가제 Wax와 혼합되어 균질 한 용액을 만들어 얇은 겔형 시트로 압출 한 후 어닐링한다. 시트는 두 방향으로 신장되고 휘발성 용매에 노출되어 다공성 시트를 떠나는 첨가제 Wax를 제거한다. 이 방법을 사용하여 40-50 %의 다공성을 달성할 수 있다.

 

2.3.2. 세라믹 코팅 분리막

 

국내 배터리 제조사인 LG화학과 SK이노베이션은 자체적으로 분리막을 제조하고 있다. 자동차 배터리 산업에서 안전성 강화가 중요한 요소로 분리막에 2~5 마이크로 두께로 나노 세라믹 코팅을 하여 내부 쇼트 현상을 방지하는 분리막 기술이 적용되고 있다. 전해질이 전고체로 바뀌면 분리막이 사라질 수도 있지만 이전까지는 세리막 코팅 분리막 기술을 얼마나 두께를 얇게 유지하면서 생산할 수 있는가가 중요한 분리막 제조 기술이다.

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 [우1]새롭게 그릴 것

 [우2]직접 그림