배터리의 작동 원리 및 소재-4(분리막)

2024.06.18 - [배터리/지식] - 배터리의 작동 원리 및 소재-3(전해질)

배터리의 작동 원리 및 소재-3(전해질)

 

 

이전 글에서 배터리에 들어가는 전해질에 대해 살펴보았다.

 

전해질에 이어서 마지막으로 알아볼 것은 분리막이다.

 

 

4. 배터리에 사용되는 소재

분리막의 구조 / Sk Innovation

- 분리막

 

분리막은 양극재와 음극재가 만나지 않게 중재자의 역할을 해주는 소재이다.

 

분리막의 필요성은 양극과 음극의 화학 반응에 의한 폭발(혹은 단락)을 막기 위함이다.

 

 

- 배터리 내의 분리막의 역할은 크게 3가지 이다.

① Li+의 통로 형성

② 양극재와 음극재의 물리적 분리

③ Shut-down

-> Shut-down은 배터리 열폭주를 대비해 기공을 차단하는 기능을 의미한다.

 

특정온도(그래프에선 135도)에 도달 시 분리막 기공을 차단하여 Charge Current를 0으로 만들어 버리는 역할을 한다.  

분리막 셧다운 Battery Separators, P. Arora and Z. Zhang,

 

 

- 분리막으로 주로 쓰이는 소재는 2가지가 있다.

① PE(폴리에틸렌): 저온 성능↑

② PP(폴리프로필렌): 고온 성능↑

-> 각각의 소재는 배터리 호환성이 좋지만 온도에 따라 장점과 단점이 명확히 드러나는 소재이다.

 

최근에는 PE와 PP의 장점을 합친 다중 분리막과 생분해 가능한 소재로서 연구 개발이 진행되고 있다.

 

 

- 분리막은 크게 2가지로 나뉘며 기준은 가공법에 있다.

① 건식 분리막

② 습식 분리막

건식 분리막 vs 습식 분리막

 

 

① 건식 분리막

건식 분리막 Porous 구조

 

건식 분리막의 제조 과정은 PE와 PP를 stretch를 통해 Li+가 통과할 수 있는 small-porous를 만드는 것이다.

 

물리적인 방법을 통해 제조하는 것이기 기공이 일정하지 않아 품질면에서는 떨어진다고 할 수 있다.

 

하지만 그만큼 가격이 저렴하기 때문에 가성비가 핵심인 분리막이다.

 

상대적으로 저렴한 LFP 양극재를 사용하는 배터리에는 주로 건식 분리막이 사용된다.

 

 

② 습식 분리막

습식 분리막 Porous 구조

 

습식 분리막의 제조 과정은 PE와 PP에 파라핀 오일과 NMP, DMF등의 용매 등이 첨가된다.

 

첨가된 재료들을 섞어 고온 고압 환경에서 어닐링하고 기름이 분리되는 과정에서 균일화된 기공 생성을 하게 된다.

 

고온 고압환경을 만드는 것 자체부터 가격적인 면에서 비싸며 유기 첨가제들로 인해 환경적이진 못한 단점이 있다.

 

 

③ EV 배터리 분리막의 시장 수요

분리막 수요 예측 그래프 / SNE 리서치

 

건식 대비 습식 분리막이 고품질 분리막을 만들 수 있다고 앞서 설명했다.

 

배터리의 성능이 중요한 EV 배터리에서는 건식 분리막 대비 습식 분리막의 수요가 증가하고 있다.

 

물론 ESS와 같은 분리막에 대한 제약이 적은 장치에서는 저렴한 건식 분리막의 수요가 많은 상황이다.

 

 

4-1) 분리막의 개발 동향

 

분리막의 기술 개발 동향을 살펴보면 전반적으로 코팅 기술 강화가 트랜드인 것 같다.

 

그렇다면 분리막 제조 업계에선 어떤 코팅 기술 개발을 도입하고 있는지 간단하게 살펴보려고 한다.

 

 

① 세라믹 입자 코팅(SRS, Safety Reinforced Seperator)

세라믹 코팅 분리막 / LG화학

 

배터리를 지속적으로 사용하다보면 음극재 스웰링, 분리막 성능 저하등의 이슈로 배터리 안정성에 문제가 생기게 된다.

 

이에 LG화학에서는 안전성 확보를 위해 열적 및 기계적 특성이 우수한 세라믹 입자 코팅 기술을 도입했다.

 

이를 통해 내부 Short-circuit을 방지하려는 연구 개발이 지속되고 있다.

(*Short-Circuit(단락): 정상적인 동작 범위를 벗어난 급격한 전류 및 온도 상승과 급격한 전압 감소 현상)

 

 

② 다공층 코팅

3마이크로미터 수준의 small pore / Ashai Kasei

 

배터리 내 양극재와 음극재 사이의 Li+의 효율적인 이동을 위해선 균일하고 조밀한 기공 분리막이 좋다.

 

일본 Asahi Kasei는 무기입자 Kaolin과 아크릴 라텍스(바인더)를 혼합한 다공층 코팅을 개발했다.

 

분리막에서 투과 수치를 나타내는 수치 중 Gurley가 있으며 값이 작을 수록 투과율이 좋다는 의미이다.

 

분리막의 제조 업계는 Gurley 값 단축을 위해 이러한 코팅 기술 개발에 심혈을 기울이고 있다.

(* Gurley 값: 100 mL의 공기가 1.21 kPa 압력 조건에서 1.0 in² 의 분리막 면적을 통과하는데 필요한 시간(s))

 

 

이번 글에서는 분리막에 대해서 알아보았다.

 

양극재부터 분리막까지 각 소재의 기능과 기술 동향에 대해 살펴보았다.

 

배터리에 각 요소들은 유기적으로 연결되어 있는 것을 알 수 있었다.

 

배터리에 관심이 있다면 모든 소재에 대한 깊은 이해가 필요하다고 생각한다.

 

다음 글부터는 배터리의 원리와 더불어 기술 논문 리뷰를 진행해보고자 한다.

 

감사합니다 :)