분리막

분리막(separator)은 양극과 음극의 물리적인 접촉을 차단해 배터리의 안전성을 결정하는 주요 소재이다. 분리막이 손상되어 양극과 음극이 접촉하면 단락 (short)가 발생해 화재 발생 위험이 생긴다. 이를 위해 양극과 음극 사이에 위치해 전자의 이동은 막아야 하지만, 동시에 리튬 이온의 이동의 허용해야 한다.

 

보통 분리막에서 요구되는 조건은 다음과 같다; 1) 높은 열적 안정성, 전기 절연성, 높은 이온전도도, 2) 많고, 다양한 기공, 3) 얇은 두께와 높은 기계적 강도. 현재 PE (polyethylene), PO (polyolefin), PP (polypropylene)와 같은 절연성의 고분자 소재가 자주 사용된다. 

 

분리막은 배터리 셀의 용량을 증대시키기 위해 그 두께를 얇게 만드는 것이 중요하다. 분리막 부피를 줄이고 활물질을 더 채워 에너지 밀도를 증대시키기 위함이다. 하지만 분리막이 지나치게 얇으면 분리막이 손상 위험이 커져 쇼트(short) 발생 위험 역시 커진다. 그렇기 때문에 두께를 줄이면서도 그 물리적 강도를 향상하는 것이 목표이다. 

분리막은 그 주요 기능을 하는 베이스 필름과 그 안정성을 강화하기 위한 코팅층으로 구성되어 있다. 베이스 필름은 주로 다공성 고분자 소재이고, 코팅층은 열 안정성을 강화하기 위해 세라믹 소재가 주로 사용된다. 국내 기업 중에선 SK IET (SK 이노베이션 계열)가 습식 분리막을 주로 개발하고 있다. 보통 아래와 같이 흰색의 얇은 필름이 말려 있는 상태로 볼 수 있다. 분리막 원가는 소재원가의 16%, 셀 전체 원가의 10% 정도를 차지하고 있다. 

 

분리막은 베이스 필름의 제조 공정 방법에 따라 건식분리막과 습식분리막 두가지로 구분된다. 두 공정은 기공을 생성하는 방법에서 차이가 있다. 건식법은 기계로 잡아당겨서 기공을 생성하는 반면, 습식법은 오일 성분을 제거하면서 기공이 생성된다. 건식 분리막이 제조 원가가 더 저렴하지만, 두께상의 한계 때문에 습식 분리막이 대세이다. 

 

1. 건식 분리막

건식 분리막은 대부분 PE와 PP를 사용해 제조한다. PP/PE/PP 3층 필름 또는 PE·PP 단층 폴리머 시트를 압출 후, 롤 방향으로 연신하여 기공을 생성한다. 이때, 단방향으로 잡아당겨서 기공을 형성해 직선형 기공이 생긴다. 직선형 기공은 리튬 이온들의 이동 거리가 짧아 높은 출력을 제공하지만, 동시에 약한 뚫림강도 (puncture strength)를 제공한다. 건식법은 공정이 간단해 생산가격이 낮지만 기공의 크기를 균일하게 만들기 어렵고, 뚫림강도가 약해 얇게 만들기가 어렵다. 10~25 ㎛ 정도의 두께로 만들어진다. 양 방향으로 잡아당기는 양축 연신법을 통해 강도를 향상시킬 수 있지만, 그 효과가 크지 않아서 얇게 만드는데 한계가 존재한다. 그렇기 때문에 에너지 밀도가 낮아도 되는 ESS나, 전기 시내버스 같은 곳에 활용된다.

 

PP/PE/PP 3층 분리막은 화학 조리개 (chemical shutter) 기능을 할 수 있다. 이는 140℃ 이상에서 PE 결정이 녹으면서 PE층의 기공이 막히면서 리튬 이온의 이동이 차단 (shut-down)되어 열폭주를 방지할 수 있다는 의미이다. 하지만 전기차용 전지는 더 높은 온도에서의 열 안정성을 요구해 사용이 어렵다.

 

(a) 건식 분리막의 직선형 기공, (b) 습식 분리막의 구불구불한 기공

 

2. 습식 분리막

습식 분리막은 고온에서 PE, PP에 파라핀 오일을 섞은 뒤 고온, 고압으로 폴리머 시트를 압출한 후, 롤의 수직 방향과 롤 방향으로 연신한 후, 용매로 기름을 사용해 기공을 생성한다. 기름이 있던 자리에서 기름을 제거하면서 건식 분리막의 직선형 기공과 달리 구불구불한 기공이 만들어진다. 습식법은 양방향 연신을 통해 길이와 폭 모두를 늘릴 수 있어서 비교적 균일한 기공이 형성되고, 뚫림강도 역시 우수하다. 하지만 복잡한 제조 공정 덕분에 생산가가 더 높다. 그럼에도 우수한 강도 덕분에 더 얇게 만들 수 있어서 에너지 밀도 증대 효과가 커서 소형 배터리와 전기차 배터리에 주로 활용되고 있다.

 

습식 분리막은 구불구불한 기공을 가지고 있어 그 출력이 비교적 낮다. 또한, 균일하지 않은 결정구조와 PE가 140℃ 이상에서 결정구조가 녹기 (melt down; 용락) 때문에 열적 안전성 역시 낮다. 이를 위해 내열 특성이 우수한 무기질인 세라믹 분말 코팅을 통해 열적 안정을 향상시키는 방법이 사용되고 있다. 하지만 무기물 코팅은 분산성과 결착력을 약화시킨다. 이를 위해 SBR (Styrene-Butadiene-Styrene)같은 수계 바인더를 코팅하기도 한. 수계 바인더는 전해액 함침성 (electrolyte impregrantion; 전해액이 기공 내에 침투되는 성질)을 향상하기도 한다.