[Tech 스토리] 배터리 안전의 핵심 '분리막'

기사입력 : 2023년02월26일 07:19

최종수정 : 2023년02월26일 07:19

배터리 쇼트·이물질 막는 '프론트 맨' 역할
에너지 밀도 높이기 쉬운 습식 분리막 대세

기업들의 신기술 개발은 지속가능한 경영의 핵심입니다. 이 순간에도 수많은 기업들은 신기술 개발에 여념이 없습니다. 기술 진화는 결국 인간 삶을 바꿀 혁신적인 제품 탄생을 의미합니다. 기술을 알면 우리 일상의 미래를 점쳐볼 수 있습니다. 각종 미디어에 등장하지만 독자들에게 아직은 낯선 기술 용어들. 그래서 뉴스핌에서는 'Tech 스토리'라는 고정 꼭지를 만들었습니다. 산업부 기자들이 매주 일요일마다 기업들의 '힙(hip)' 한 기술 이야기를 술술~ 풀어 독자들에게 전달합니다.

[서울=뉴스핌] 신수용 기자 = 전기차 화재로 배터리의 안전성 문제가 불거지며 이차전지의 안전을 책임지는 '분리막'에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 오늘은 분리막에 대해 알아보겠습니다.

◆ 분리막은 무엇인가

분리막 속 기공을 통해 리튬이온이 이동하는 모습. [사진=삼성SDI]

분리막은 양극재, 음극재, 전해질과 함께 이차전지인 리튬이온배터리를 구성하는 4대 핵심 요소입니다.

분리막 두께는 머리카락 굵기의 25분의 1에 불과한 4㎛(마이크로미터)에서 최대 25㎛지만, 이차전지 원가에 약 15%를 차지합니다.

정식 명칭은 리튬이온배터리 분리막(LiBS: Lithium-ion Battery Separator)입니다. 절연 소재로 이루어진 얇은 막으로, 양극과 음극이 서로 닿지 않으면서 리튬이온만 잘 지나다니도록 하는 것이 분리막 기술의 핵심입니다.

양극과 음극이 직접 접촉하면 단락(쇼트·합선) 현상이 발생할 수 있기 때문에, 배터리의 안전성을 위해 분리막이 꼭 필요합니다.

분리막은 양극과 음극의 직접적인 접촉은 차단하면서 0.01~1㎛(마이크로미터)의 미세한 기공(공기 구멍)으로 리튬이온만 통과시켜 전류를 발생시키는 역할을 합니다.

과전류가 흐를 경우에는 분리막의 기공이 닫히면서 리튬이온의 통로를 차단해 배터리가 더 이상 과열되지 않도록 보호하는 역할도 합니다.

또 분리막은 높은 기계적 강도를 지니고 있어 강한 힘을 받을 때 배터리 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질들을 막아 안전성을 높이는 역할도 수행합니다.

◆ 건식분리막 vs 습식분리막

습식 분리막. [사진=LG에너지솔루션]

분리막은 주로 폴리에틸렌(Polyethylene·PE)과 폴리프로필렌(Polypropylene·PP) 등 절연 특성이 뛰어난 고분자 소재가 사용됩니다.

분리막은 제조 방식과 원재료에 따라 크게 건식과 습식으로 나눕니다.

PP와 PE, 기타 재료 등을 활용하는 건식 제조는 물리적인 연신(늘리는 공정)과 열처리 공정과 기계적인 힘으로 필름 원단을 당겨 기공을 만듭니다.

습식과 비교하면 초기 투자 비용이 덜 들고 유해 물질이 나오지 않아 비교적 친환경적이고, 제조공정도 간단하나 균일한 기공을 만들어 내는 기술 장벽이 높습니다. 이에 기공 크기가 불균일하고, 습식에 비해 기계적 강도도 약합니다.

건식은 주로 전기 버스에 사용됩니다. 습십보다 저렴하지만 두꺼워 에너지밀도를 높이기에 적합하지 않기 때문입니다.

습식 분리막은 건식에 비해 얇고 밀도가 높아 상용 전기차 대부분이 습식을 채택하는데 그만큼 고도의 기술이 요구됩니다. 유기용매 등 추가 재료가 필요하기에 단가 상승의 요소가 되기도 합니다.

습식 분리막 제조는 PE를 원재료로 고온·고압으로 납작하게 만드는 압출과 연신, 화학처리 등을 거칩니다. 압축된 PE 시트가 식으면서 서서히 굳어질 때 필름 틈에 채워져 있던 것들이 빠지면서 기공이 생깁니다.

고분자 소재와 저분자량의 왁스를 혼합해 고온에서 필름을 압출한 뒤, 용매(솔벤트)를 사용해서 왁스를 추출해 미세다공 구조를 형상하는 방식입니다.

이 방식은 초기 투자비용이 많고 유해물질이 발생한다는 단점이 있지만, 제작이 간편하고 기공이 균일하다는 장점이 있습니다. 습식은 건식에 비해 상대적으로 가격은 높지만 얇아 에너지밀도를 높이기 좋습니다.

과거에는 분리막으로 필름 소재 하나만을 사용했지만, 최근에는 분리막의 성능을 강화하기 위해 다양한 소재와 방식으로 코팅해 사용하고 있습니다. 얇은 습식 분리막을 보완하려고 세라믹 코팅을 하는데, 안전성 강화 분리막(SRS 분리막) 같은 강화 분리막으로 불립니다.

국내에선 SK아이이테크놀로지(SKIET)와 더블유씨피(WCP)가 유일하게 습식 분리막을 생산하고 해외에선 일본의 아사히카세이, 도레이, 상해은첩 등이 진입해 있습니다.

LG화학과 도레이가 안정성 강화 분리막(SRS) 관련 특허를 일부 공동 보유 중입니다.

SNE리서치에 따르면 이차전지 분리막의 세계 시장 규모는 2021년 4조1000억원에서 2025년 11조원으로 연평균 28%가량 성장할 것으로 추정됩니다.

aaa22@newspim.com

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