분리막

분리막 이미지

분리막 속 기공을 통해 리튬이온이 이동하는 모습

분리막(分離膜, separation membrane)은 배터리의 양극과 음극이 서로 접촉하지 않고 리튬이온만 이동할 수 있게 하는 미세한 기공의 얇은 막이다. 분리막은 필름표면에 미세한 기공을 가지고 있는 얇은 막으로, 리튬이온 배터리의 양극과 음극이 접촉하지 않고 기공을 통해 이동하도록 하는 역할을 수행한다. 양극과 음극에 있는 물질이 서로 닿을 경우 리튬이온의 움직임이 증가하면서 제어가 안되면 폭발할 가능성이 있다. 양극과 음극이 서로 닿지 않으면서 리튬이온만 잘 이동할 수 있게 하는 것이 바로 분리막 기술의 핵심이라고 할 수 있다.

주로 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 또는 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 소재를 사용하며, 제조공정에 따라 습식과 건식으로 구분된다. 습식은 주로 휴대폰이나 노트북 등 소형 배터리와 전기차 배터리 등에 탑재되며 건식은 에너지저장장치, 전기 시내버스처럼 높은 에너지 밀도를 필요로 하지 않는 영역에서 사용된다.

개요

양극재와 음극재, 전해질, 분리막을 2차전지의 4대 소재라 한다. 양극재와 음극재가 배터리의 성능을 결정짓는다면, 분리막은 배터리의 안정성과 연관이 깊다. 2차 전지의 무게에서 양극재는 약 40%, 분리막은 20% 가량을 차지한다.

분리막은 절연(絶緣) 성격의 얇은 필름 소재이다. 핵심 역할은 양극(+)과 음극(-)이 만나지 않게끔 분리하는 것이다. 양·음극이 뒤섞이면 전기 불꽃이 튀어 사고로 이어질 수 있다. 분리막은 전기차 배터리의 안전을 책임지고 있다.

리튬이온 배터리셀은 높은 전지 저항을 극복하기 위해 음극과 양극의 간격을 획기적으로 줄인 박막 분리막을 사용한다. 박막 분리막의 두께는 10~25 마이크로미터(㎛), 기공 크기는 10~500 나노미터(nm) 정도로 매우 작아서 리튬이온(Li+)이 빠르고 안전하게 이동할 수 있다.

분리막의 안전성을 높이기 위해 코팅을 한다. 분리막의 표면을 세라믹 코딩함으로써 최대 150℃ 정도의 높은 온도를 견딜 수 있다. LG전자는 분리막 코딩을 통해 '안전성 강화 분리막'(SRS)을 만들었다.

만약 배터리 분리막에 불량이 있을 경우, 음극과 양극이 직접 만나 열폭주(熱暴走)가 발생하여 대형 화재 사고가 발생할 수 있다. 열폭주는 온도 변화가 그 온도 변화를 더욱 가속시키는 통제 불가능한 양성 피드백이다.

2020년 10월 현대 코나 EV에 화재 사고가 발생했고, 국토부는 LG 배터리의 '분리막 결함' 때문이라고 발표했으며, 현대자동차는 모든 코나 EV 차량에 대해 리콜을 결정했다. 하지만, LG화학은 배터리 결함 때문이 아니라고 반박했다.

배터리 분리막

건식 & 습식 분리

분리막은 리튬이온이 오고가는 기공을 어떻게 만드느냐에 따라 건식과 습식으로 구분된다. 건식분리막은 기계적 힘으로 당겨서 기공을 만든다. 제조 공정이 비교적 간단해 단가가 낮지만 기공 크기를 균일하게 만들기 어렵고 박막화(얇게 만드는 것)가 어렵다는 단점이 있다. 에너지밀도를 요구하지 않는 에너지저장장치(ESS)나 전기 시내버스 등에 주로 사용한다. 반면, 습식분리막은 PE, PP 분말에 기름을 섞고 고온, 고압으로 반죽해 납작하게 뽑아낸다. 서서히 굳히면서 그 사이사이에 들어있는 기름을 뽑아내면 기름이 있던 부분에 리튬이온이 통과할 길목인 기공이 만들어진다. 제조 공정이 복잡하고 단가는 높지만 균일하게 기공의 사이즈를 만들고 박막화도 가능하다는 장점이 있다. 과거에는 분리막으로 필름 소재 하나만을 사용했지만, 최근에는 분리막의 성능을 강화하기 위해 다양한 소재와 방식으로 코팅하여 사용하고 있다.

좋은 분리막 조건

분리막은 다른 소재들과 달리 배터리의 안전성과 연관되어 있기 때문에 여러 조건들이 갖춰져야 한다. 우선 분리막으로 사용되려면, 전기화학적으로 안정적이어야하고, 절연성이 뛰어나야 한다. 양극과 음극의 접촉을 차단해야 하는데 분리막이 리튬이온이나 배터리 내부에 있는 다른 이온들과 반응해 버린다면, 마치 고양이에게 생선을 맡기는 것과 같다. 또한 리튬이온이 원활하게 분리막 사이를 통과할 수 있도록 분리막 표면에 구멍이 많아야 하며, 그 크기는 균일해야 한다. 구멍이 별로 없거나 들쭉날쭉하면, 리튬이온이 이동하는데 어려움이 있다. 그리고, 배터리의 온도가 일정 수준을 넘어섰을 때 분리막 자체적으로 기공을 막아(Shut-down) 리튬이온의 이동을 차단해 안전성을 확보할 수 있어야 한다. 배터리의 에너지 밀도 향상을 위해서는 두께가 얇아야 더 많은 양의 활물질을 넣을 수 있고, 그러면서도 분리막의 기계적 강도가 우수해야 쉽게 손상되지 않고 배터리의 안전성까지 확보할 수 있다.

관련기업

• 상해은첩(上海恩捷, SEMCORP) : 상해은첩은 저렴한 가격과 공격적 증설로 세계 1위의 분리막 회사로 성장했다. 모회사는 '창신신소재'(은첩고분)이다.
• ㈜엘지화학(LG Chem) : ㈜엘지화학은 상해은첩에서 1㎡ 당 1달러 이하의 가격으로 분리막 베어 필름(코팅이 안 된 분리막)을 구매한 후, 한국 명성티엔에스㈜의 코팅 기계를 사용하여 직접 코팅하여 분리막을 제조한다.
• SK이노베이션㈜(SK Innovation) : SK이노베이션㈜은 ㈜LG화학과 분리막 기술 특허 침해 소송에 휘말려, 생산량이 큰 폭으로 감소하고 있습니다. 한때 LG 배터리 분리막의 70%를 납품하였으나 소송 후 1%선으로 떨어졌다.
• SK아이이테크놀로지(SKIET) : SNE리서치에 따르면 SKIET는 2020년 '티어1(Tier1)' 습식분리막 시장에서 점유율 26.5%로 세계 1위를 차지했다. SKIET가 현재 확보한 생산능력은 10.4억m2에 이르는데 이는 연간 전기차 100만 대에 쓸 수 있는 분리막 생산 규모로 2024년 생산능력은 27.3억m2로 늘어날 전망이다. SKIET는 SK이노베이션의 소재사업 자회사이다.
• 시니어(Senior, 星源材质) : 중국 선전에 본사를 둔 분리막 제조 기업이다. 시니어는 주로 중국의 비야디(BYD), 한국의 LG화학, 일본의 무라타 등에 배터리 분리막을 공급하고 있다.
• 아사히카세이(Asahi Kasei, 旭化成) : 일본의 다국적 화학회사이다. 아사히카세이는 2020년 습식 분리망 시장 점유율 23.7%로 2위를 차지했다.
• 도레이(Toray, 東レ) : 일본 도쿄에 본부를 두고 있는 자동차 부품 제조 다국적 기업으로 합성섬유, 합성수지를 비롯한 화학제품과 정보관련 소재 사업에 주력하는 화학기업 거물이기도 하다. 도레이는 2002년 습식 분리망 시장 점유율 23.6%로 3위를 차지했다.

시장 전망

2차전지 분리막 시장 수요 전망

2차전지 분리막 시장 수요 역시 2019년 총 28억 제곱미터(㎡ )에서 2025년 약 193억㎡ 로 연평균 38%씩 성장할 것으로 전망된다. 문제는 공급이 수요를 따라가지 못한다는 것이다. 최근 전기차 시장이 급성장하며 배터리 소재 업체들은 공통적으로 "없어서 못 파는" 일이 발생하고 있다. 분리막은 이중에서도 수요, 공급이 가장 타이트한 제품으로 꼽힌다. SNE는 "2022년부터 공급부족이 심화될 것"이라며 "2022년 공급부족율은 -35% 수준에 이를 것"으로 내다보고 있다.

분리막이 '안정성'에 직결되는 소재이기 때문에 배터리 셀 업체의 승인 과정에 최대 2년이 필요하다고 한다. 배터리 제조원가 비율을 보더라도 분리막은 양극재 다음으로 높다. 그 뒤로 음극재, 전해질 순이다.

신규 업체들이 시장 진입을 할 경우에도 초기 막대한 설비투자 비용 뿐만 아니라 가동률, 수율 안정화 문제 등으로 초기 대규모 적자 가능성이 높아 진입이 상대적으로 어렵다.

참고자료

• 리튬이온 배터리 혁신성장품목분석보고서 - https://ssl.pstatic.net/imgstock/upload/research/industry/1596760942991.pdf
• 이윤애 기자, 〈코나EV 화재 원인 지목된 '배터리 분리막'〉, 《뉴스핌》, 2020-10-18
• 이남석 기자, 〈IPO SKIET "글로벌 분리막 시장 선두 지위 굳힐 것"〉, 《이비엔》, 2021-04-22
• 〈배터리 안전을 책임지는 ‘분리막’〉, 《삼성SDI》

같이 보기

• 습식분리막
• 건식분리막
• 세라믹 코팅 분리막

이 분리막 문서는 배터리에 관한 글로서 검토가 필요합니다. 위키 문서는 누구든지 자유롭게 편집할 수 있습니다. [편집]을 눌러 문서 내용을 검토·수정해 주세요.

자동차 : 자동차 분류, 자동차 회사, 한국 자동차, 독일 자동차, 유럽 자동차, 미국 자동차, 중국 자동차, 일본 자동차, 전기자동차, 자동차 제조, 자동차 부품, 자동차 색상, 자동차 외장, 자동차 내장, 자동차 전장, 자동차 부품 회사, 배터리 □■⊕, 배터리 회사, 충전, 자동차 판매, 자동차 판매 회사, 자동차 관리, 자동차 역사, 자동차 인물 배터리 종류 1차전지 • 2차전지 • 3차전지 • AA 전지 • AAA 전지 • HFC • LCO • LFP • LMO • LTO • NCA • NCM • NCMA • 각형 배터리 • 건전지 • 고전압 배터리 • 고체전지 • 공기전지 • 과산화은전지 • 구반반 배터리 • 그래핀 배터리 • 금속 공기 배터리 • 나노셀룰로스 종이 배터리 • 나트륨이온 배터리 • 나트륨 황 배터리 • 납축전지 • 니켈 수소 배터리 • 니켈 카드뮴 배터리 • 다이아몬드 배터리 • 단추형 전지 • 대용량 배터리 • 대형배터리 • 동위원소 배터리 • 리튬공기전지 • 리튬 망간 배터리 • 리튬메탈 배터리 • 리튬 이산화탄소 배터리 • 리튬이온 배터리 • 리튬 인산철 배터리 • 리튬전지 • 리튬 코발트 배터리 • 리튬 티타네이트 배터리 • 리튬 폴리머 배터리 • 리튬 하이니켈 배터리 • 리튬 황 배터리 • 마그네슘 배터리 • 망가니즈전지 • 모래 배터리 • 무음극배터리 • 물리전지 • 미생물 연료전지 • 바나듐 배터리 • 바나듐 레독스 흐름 배터리 • 바나듐이온 배터리 • 바빌로니아 전지 • 박막배터리 • 박테리아 배터리 • 박테리아 종이 배터리 • 반고체 배터리 • 배터리 • 베타 배터리 • 보조배터리 • 볼타전지 • 불소이온 배터리 • 블레이드 배터리 • 비축전지 • 사원계 배터리 • 산화물 전고체 배터리 • 산화은전지 • 삼원계 배터리 • 설탕 배터리 • 세라믹 축전기 • 소금 배터리 • 소형배터리 • 수소연료전지 • 수은전지 • 슈퍼커패시터 • 습전지 • 아연공기전지 • 아연 탄소 전지(르클랑셰 전지) • 아폴로 • 알루미늄 공기전지 • 알루미늄 공기 흐름 전지 • 알칼리전지 • 얼티엄 배터리 • 에너지저장장치(ESS) • 에이터너스 • 연료전지 • 열전지 • 용융염 배터리 • 원자력전지 • 원통형 배터리 • 육둘둘 배터리 • 인섀시 배터리 • 전고체 배터리 • 전지 • 종이 배터리 • 중형배터리 • 차세대 배터리 • 초소형배터리 • 축전기(콘덴서) • 축전지 • 칼륨 배터리 • 칼슘 배터리 • 커패시터 • 코인셀 배터리 • 태양전지 • 파우치형 배터리 • 파워월 • 팔일일 배터리 • 폐배터리 • 폴리머 배터리 • 폴리머 전고체 배터리 • 프리폼 배터리 • 플렉서블 배터리 • 하이니켈 배터리 • 하이브리드 리튬메탈 배터리 • 해수전지 • 핵 배터리 • 화학전지 • 황화물 전고체 배터리 • 흐름전지(레독스 플로우 배터리) 배터리 기술 ALD • CCS • CSG • CTB • CTV • K-배터리 • MPI • MTB • NCMX • PCM • SRS • 건식분리막 • 계면 • 계면저항 • 계면활성제 • 고용량 • 고체전해질 • 고출력 • 공랭식 • 굴곡도 • 기공 • 기억효과(메모리 효과) • 냉각시스템 • 다공성 • 대용량 • 덴드라이트 • 드라이룸 • 모듈투바디(MTB) • 무기 고체 전해질 • 바인더 • 박막 • 박막화 • 방열판 • 방열핀 • 배터리관리시스템(BMS) • 배터리데이 • 배터리모듈 • 배터리 보호회로모듈 • 배터리셀 • 배터리 케이스 • 배터리 패키징 • 배터리팩 • 배터리하우징 • 배터리 히팅 시스템 • 복합전해질 • 분리막 • 블랙파우더 • 비전해질 • 사물배터리 • 산화물 • 산화물계 전해질 • 세라믹 코팅 • 세라믹 코팅 분리막 • 셀밸런싱 • 셀투바디(CTB) • 셀투비클(CTV) • 셀투섀시(CTC) • 셀투카(CTC) • 셀투팩(CTP) • 소용량 • 수랭식 • 스태킹 • 습식분리막 • 실리콘 음극재 • 실버코팅 • 안전성 강화 분리막(SRS) • 액체전해질 • 양극박 • 양극소재 • 양극재 • 양극판 • 양극활물질 • 여과 • 열폭주 • 열화현상 • 와인딩 • 용량 • 유기 고체 전해질 • 유랭식 • 음극소재 • 음극재 • 음극판 • 음극활물질 • 이온전달막 • 이온전도도 • 이온화 • 저용량 • 저출력 • 전고체 • 전구체 • 전지박 • 전해액 • 전해질 • 전해질막 • 점프 • 점프케이블 • 정격용량 • 정격전압 • 제로모듈 • 젤리롤 • 집전체 • 출력 • 침출 • 콤퍼레이터 • 티본 레이아웃 • 파우치 • 패스웨이 • 폐양극재 • 활물질 • 황화물 • 황화물계 전해질 • 히트싱크 • 히트파이프 • 히트펌프 배터리 제품 1865 배터리 • 2170 배터리 • 4680 배터리 • 기린 배터리 위키 : 자동차, 교통, 지역, 산업, 기업, 단체, 업무, 쇼핑, 블록체인, 암호화폐, 인공지능, 개발, 인물, 행사, 일반