[데일리한국 신지하 기자] 리튬이온 배터리의 핵심 소재 중 하나인 분리막은 절연 소재의 얇은 막이다. 배터리 내부에서 양극 활물질과 음극 활물질의 물리적 접촉을 막아 단락을 방지하는 동시에 이온이 오가는 통로 역할을 담당한다. 우리 눈에는 보이지 않지만 분리막 속에는 미세한 기공이 있어 그 구멍을 통해 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있게 돕는 셈이다.

또한 배터리의 내부 온도가 일정 수준 이상 올라가게 되면 분리막 표면에 있는 기공들이 막혀 리튬이온의 이동을 차단해 내부적으로 쇼트 발생도 방지한다. 높은 기계적 강도를 지니고 있는 분리막은 강한 힘을 받을 때 배터리 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질들도 막아 안전성을 확보하는 역할도 수행한다.

  • 현미경으로 살펴본 분리막. 사진=삼성SDI 제공
분리막은 양극과 음극 등 다른 소재들과 달리 배터리의 안전성과 연관돼 있어 분리막 소재로 사용되기 위해 다양한 조건들을 갖춰야 한다. 우선 분리막으로 사용되려면 전기화학적으로 안정적이고 절연성이 뛰어나야 한다. 양극과 음극의 접촉을 차단하는 동시에 리튬이온이나 기타 배터리 내부에 있는 이온들과의 반응을 피해야 하기 때문이다.

또한 리튬이온이 원활하게 분리막 사이를 통과할 수 있도록 분리막 표면에 구멍이 많아야 하고 그 크기는 균일해야 한다. 배터리의 온도가 일정 수준을 넘어섰을 때는 분리막 자체적으로 기공을 막아 리튬이온의 이동을 차단해 안정성을 확보하는 일도 중요하다. 배터리의 에너지 밀도 향상을 위해 두께도 얇아야 하며 기계적 강도도 우수해야 쉽게 손상되지 않고 배터리의 안전성까지 확보할 수 있다.

분리막 소재로는 폴리올레핀, 폴리프로필렌 등과 같이 절연 특성이 뛰어난 고분자 소재가 사용된다. 이 소재들로 미세한 기공을 만드는데 그 방식에 따라 건신분리막과 습식분리막으로 나뉜다.

건식 제조는 단순히 기계적인 힘으로 필름 원단을 당겨 기공을 만드는 방식이다. 제조 공정은 간단하나 기공 사이즈가 균일하기 어렵고 습식에 비해 기계적 강도도 약하다. 높은 에너지 밀도를 요구하지 않는 에너지저장장치(ESS)나 전기 시내버스 등에 주로 건식분리막이 사용된다.

이와 달리 습식 제조는 필름에 여러 첨가제를 추가해 화학적인 방식으로 기공을 만든다. 습식의 경우 제조 공정이 복잡하고 필요로 하는 소재가 상대적으로 많아 건식보다 단가가 높지만 기공 사이즈를 균일하게 만들 수 있어 높은 에너지 밀도 확보가 용이하다. 이런 이유에서 전기차의 이차전지에 쓰인다.

전기 자동차용 이차전지 시장조사업체 SNE리서치의 '2020년 리튬이온 이차전지 분리막 기술동향 및 시장전망' 보고서에 따르면 이차전지 분리막의 시장 수요는 2019년부터 오는 2025년까지 연평균 성장률이 38%에 달할 전망이다.

  • 자료=SNE리서치 제공
지난해 전 세계 리튬이온 이차전지용 분리막의 수요는 총 28억㎥였다. 2025년 수요는 약 193억㎥로 추정된다. 습식분리막과 건식분리막의 비율은 지난해 약 62대 38에서 2025년 72대 28 수준이 될 전망이다. 승용 전기차 보급의 활성화가 진행되며 습식분리막의 수요 비중은 앞으로 더욱 늘어날 것으로 보인다.

과거에는 분리막으로 필름 소재 하나만을 사용했으나 최근에는 분리막의 성능을 강화하기 위해 다양한 소재와 방식으로 코팅해 사용하고 있다.

코팅은 내열 코팅방식과 접착 코팅방식으로 나눌 수 있다. 내열 코팅방식은 고온에서 분리막 원단 필름에 세라믹 입자를 코팅해 분리막 원단의 수축을 억제하는 방식이다. 접착 방식은 극판과 분리막 원단 필름의 접착을 통해 안전성을 향상시키고 셀 변형을 방지하는 방식이다.

삼성SDI는 분리막 코팅 기술 내재화를 통해 차별화된 경쟁력을 확보하고 있다. 초고내열성 분리막 개발을 통해 배터리 안전성을 확보하고 박막화 기술로 배터리 용량 증가에 힘쓰고 있다. 또한 배터리의 품질 확보를 위해 접착분리막을 개발해 사용 중이며, 안전성과 품질을 동시에 확보하기 위한 고내열 접착분리막의 개발은 양산 완성 단계에 있다.

LG화학은 안전성 강화 분리막(SRS™) 기술을 통해 분리막 표면을 세라믹 소재로 얇게 코팅해 안전성과 성능을 높이고 있다. SK이노베이션의 자회사 SK아이이테크놀로지(SKITE)는 2007년 두께가 아주 얇은 분리막을 균일한 품질로 생산할 수 있는 기술인 축차연신공정을 완성, 세계 최초로 5㎛ 박막제품 개발하기도 했다.

  • 삼성SDI 분리막. 사진=삼성SDI 제공
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입력시간 : 2020/10/21 07:10:19 수정시간 : 2020/10/21 07:10:19
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