리튬이온배터리는 크게 양극재와 음극재, 분리막, 전해질로 구성됩니다. 이전 ‘FOCUS ON’에서 ‘하이니켈 단결정 양극재‘로 양극재가 배터리의 효율과 성능을 좌우하는 에너지원이라고 소개했는데요. 이번 시간에는 리튬이온배터리의 주요 구성 요소로, 양극과 음극의 접촉을 막아주는 분리막에 대해 자세히 알아보겠습니다.
분리막은 배터리의 안전성을 위해 필요합니다. 리튬이온배터리는 이튬이온이 양극과 음극을 오가며 일으키는 화학적 반응으로 충전되고 방전됩니다. 이때 양극과 음극이 직접 접촉하면 단락(쇼트) 현상이 발생해 화재 등 안전사고로 이어질 수 있는데요. 양극, 음극의 물리적 접촉을 차단하는 안전장치 역할을 하는 것이 리튬이온배터리 분리막(LiBS, Lithium-ion Battery Separator)입니다.
양극과 음극의 접촉을 막으면서도 배터리가 정상적으로 충전·방전되기 위해 리튬이온이 이동할 수 있어야 하는데요. 이를 위해 분리막에는 미세한 기공(Pore, 공기 구멍)이 있습니다. 평소에는 이 구멍으로 리튬이온이 이동하지만, 배터리 내부 온도가 일정 수준 이상으로 올라가거나 과전류가 흐를 때에는 자체적으로 기공이 닫히면서 리튬이온의 통로를 차단하여 배터리가 더 과열되지 않도록 합니다. 분리막은 배터리 내부 리튬이온과 반응하지 않도록 전기가 통하지 않는 절연성도 뛰어나야 합니다.
분리막에 쓰이는 소재로는 폴리에틸렌(PE, Polyethylene)과 폴리프로필렌(PP, Polypropylene)이 있습니다. 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)은 저렴한 가격으로 생산할 수 있고, 가공이 쉬우며, 화학적 안정성과 기계적 물성이 뛰어나며 가벼운 소재입니다.
분리막은 제조 방식에 따라 건식 분리막과 습식 분리막으로 구분됩니다. 건식 분리막은 PE와 PP 필름을 한 방향으로 잡아당기고 늘리면서 기공을 만듭니다. 습식 분리막과 달리 용매를 제거하는 공정이 없어 제조 과정이 비교적 간단하며 유해 물질이 나오지 않아서 친환경적입니다. 다만, 기공의 크기를 균일하게 만들기 어려우며 습식 분리막에 비해 기계적 강도가 약하고 두께가 두꺼워 ESS(Energy Storage System), 전기 시내버스 등 에너지 밀도가 낮은 배터리에 주요 사용됩니다.
반면 습식 분리막은 고온에서 PE, PP에 파라핀 오일을 섞은 뒤 고온·고압으로 압출한 시트를 천천히 굳히면서 필름 틈에 채워져 있던 오일을 추출해 기공을 만듭니다. 습식 분리막은 제조 공정이 복잡하고 사용하는 소재도 많아 단가가 높은 편이지만, 기공 크기가 균일하고 건식 분리막 대비 기계적 강도가 강하며 두께가 얇아 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있습니다. 그래서 휴대전화나 노트북 등 소형 배터리와 전기차 배터리처럼 고용량·고출력 배터리가 필요한 영역에서 주로 사용합니다.
자동차 업계의 전동화 추세와 국가별 넷제로(Net Zero) 달성을 위한 정책적인 내연기관 자동차의 규제에 힘입어 전기차로의 전환은 지속될 전망입니다. 이에 따라 전기차용 배터리에 대한 수요가 증가하면서, 130℃ 이상의 온도에서 내구성이 현저하게 떨어지는 기존 분리막의 한계를 극복하고 고온에 노출되어도 안전성을 유지할 수 있는 분리막을 제조하기 위한 노력이 이어지고 있습니다.
LG화학은 분리막 표면에 세라믹 입자와 고분자 바인더를 코팅해 200℃의 열에도 버틸 수 있는 ‘안전성 강화 분리막(SRS®, Safety Reinforced Separator®)’을 개발한 바 있습니다. 2009년 최초 양산 이후 생산 속도를 지속적으로 향상시켜 세계 최고 수준의 코팅 생산성을 확보했습니다.
오늘은 배터리 안전성 확보에 필요한 분리막에 대해 알아보았습니다. 내열성이 높은 분리막 개발을 위한 노력이 계속되고 있습니다. 더불어 전기차의 주행 거리에 직접적으로 영향을 미치는 요인, 높은 에너지 밀도를 확보할 수 있는 얇은 분리막에 대한 연구가 이어지고 있는데요. 앞으로도 꾸준히 발전할 분리막의 모습에 지속적인 관심을 부탁드립니다.
유용한 자료 잘 봤습니다.