2차전지 분리막 코팅

분리막 산업

원단분리막, 코팅분리막으로 구분

원단 분리막은 폴리올레핀(올레핀의 중합으로 생긴 가볍고 투명한 고분자 화합물) 막을 걷어낸 후 가열상태에서 잡아당겨 배향한 필름을 제조, 용매 추출공정의 유/무에 따라 습식과 건식으로 구분

 

리튬이온전지용 고분자 소재

1991년 일본 SONY사에 의해 시장에 등장한 리튬이온전지는 기존 이차전지 대비 높은 에너지밀도를 구현함으로써 휴대전자기기 대중화의 기틀을 마련한다. 그러나 3V이상의 높은 작동 전압으로 인해 기존 수계 전해질 대신 유기계 전해질을 적용해야만 했고, 이로 인한 높은 전지 저항과 안전성 문제는 큰 이슈가 되었다. 특히, 유기계 전해질 사용으로 야기된 높은 전지 저항은 리튬이온전지 상용화에 큰 걸림돌이었고, 이에 대한 해결책으로 양극과 음극의 간격을 획기적으로 줄일 수 있는 박막 분리막의 도입은 필수적이었다. 이를 위해, 기존 수백 마이크로미터의 분리막 두께를 수십 마이크로미터로 낮춰야 했고, 또한 박막 분리막의 충분한 절연 특성을 확보하기 위해 기공의 크기 역시 마이크로미터 이하로 제어해야만 했다. 그 결과 미세다공성 폴리올레핀 계열 분리막이 개발되어 최근까지도 큰 문제없이 사용되고 있다. 그러나 2000년대 후반 리튬이온전지가 전기자동차용 전원으로 적용됨에 따라, 중대형 리튬이온전지의 안전성 확보를 위한 기술적 이슈로 폴리에틸렌 분리막의 열적 안정성 개선이 주목받게 되었다. 이로 인해, 리튬이온전지 분리막용 내열 고분자 소재에 대한 연구가 급격히 증가하였다.

 

분리막용 고분자 소재

리튬이온전지의 4대 핵심 소재 중 하나인 분리막은 미세다공성 고분자 멤브레인으로 주로 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 소재를 사용하여 제조된다. 미세다공성 구조를 만드는 방법은 습식법(추출공정)과 건식법(연신 공정)으로 나뉜다.

 

기계적 물성을 확보하기 위해 적절히 2축연신 및 열처리 과정을 거친다. 이에 반해 건식법은 왁스를 사용하지 않고, 연신 및 열처리 공정만으로 기공을 만들고 기계적 물성을 제어한다.

그러나 물리적 물성을 만족시키는 분리막이라도, 전해액과의 충분한 젖음성을 확보하지 못하면 원하는 전기화학특성을 구현할 수 없게 된다.(유기성과 친수성)

폴리올레핀 계열 분리막 제조 시에는 표면에 전해액이 적절히 젖을 수 있어야 하고, 그 결과는 분리막의 향상된 이온전도도의 수치로 확인될 수 있다.

 

그러나 아무리 폴리프로필렌을 사용하더라도 리튬이온 전지의 안전성 확보가 충분하지 않다는 의견에 따라, 분리막 표면에 세라믹 입자와 고분자 바인더를 코팅한 제품이 개발되었다.

특히 LG화학에서 Dip코팅방식으로 세라믹 층을 도입한 SRS(safety reinforced separator) 분리막이 전기자동차용 리튬이온전지에 적용되면서, 분리막 내열성 확보 기술의 기준이 되었다.

자동차 업체의 안전성 평가 기준 중 150도 열노출과 내부단락 시험은 세라믹 코팅없이는 달성하기 쉽지 않은 항목이었다.

 

고분자 과학과 기술 제 24 권 6 호 2013년 12월 '리튬이온전지용 고분자 소재' 참조

 

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