분리막과 탭리스 배터리

양극과 음극이 배터리의 성능을 대표하는 소재라면, 분리막은 배터리의 안전성과 관련된 핵심 소재라고 할 수 있다.

 

정의

분리막은 간단히 절연 소재의 얇은 막이다.

 

역할

1) 전류의 서로 다른 극 성질물질이 접촉하지 않도록 한다.

2) 분리막에는 미세한 기공 pore을 형성해 구멍을 통해 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 한다.

3) 전자들의 활동으로 높은 열이 생기면 기공들이 막혀 리튬이온의 이동을 차단해 극단의 상황 발생을 방지한다.

4) 높은 기계적 강도를 지니고 있어 1차 강한 힘을 받을 때 2차 힘으로인한 형태변형시 피해를 줄여 안정성을 높인다. 

분리막의 형태

기술현황

분리막의 소재는 폴리올레핀, 폴리프로필렌 등과 같이 절연 특성이 뛰어난 고분자 소재가 사용된다. 이 소재들을 연신하여 미세한 기공을 만드는데 그 방식에 따라 건식과 습식으로 종류를 나눌 수 있다.

건식제조
기계적 힘으로 필름 원단을 당겨 기공을 만드는 방식
습식제조
필름에 여러 참가제를 추가해 화학적인 방식으로 기공을 만드는 방식

건식의 경우, 제조공정은 간단하나 기공 사이즈가 불균일하고, 습식에 비해 기계적 강도도 약하다. 반면, 습식의 경우는 제조공정이 고도화되어 고비용이며, 기공의 균일하게 만들어지는 장점이 있다.

 

흐름

초기단계에는 분리막으로 필름 소재 하나만을 사용했으며 그로인해 문제점들이 산재해 있었다. 점차 최근에는 분리막의 성능을 강화하고 있으며 다양한 소재와 방식을 적용하여 코팅을 진행하여 사용하고 있다.

 

최근

삼성에서는 분리막 코팅 기술을 개발하고 이를 활용하고 있으며, 초고내열성 분리막 개발을 통해 배터리 안전성을 제고시키고 박막화 기술로 용량을 증가시키고 있다. 또한, 배터리 성능을 향상하기 위해 접착분리막을 개발해 고내열 접착분리막을 개발하고 있는 실정이다.

 

 

테슬라 배터리 데이 관련

탭리스 배터리

배터리의 모습

탭이 없는 배터리로 기존의 리튬이온배터리는 원통/파우치/각 등 형태에 관계없이 양극과 음극사이의 전자이동을 위해 탭을 달고 있다.

원통형 배터리라고 한다면 양끝의 뽈록하게 튀어나온 부분이 탭이다. 양극과 음극을 저곳으로 집합시킨다.

그런데 탭리스는 탭이 없는 배터리형태다.

왜 탭이 없도록 했을까

깔때기 모습 예시

깔때기를 생각해보면, 아랫쪽 방향으로 물을 몰아넣게되면, 물의 유속이 높아지고 이동에너지가 생긴다.

이것은 전기적 이론을 바탕으로 생각해보면

전자(+)(-)는 좁은 곳으로 집중되면 온도가 올라가고 계면에서의 bottleneck 현상이 발생한다.

이런 부분을 해결하기 위해 양쪽 각 면 면체를 도체로 활용하고 탭처럼 한곳으로 몰리게 하는 모양이 아닌 표면으로 형성한다면 접촉면이 넓어져 전자는 넓은 면적으로 움직이게 된다.

전자가 집중되지 않아 온도가 올라가는 정도도 낮아지게되며 bottleneck 현상이 줄어들어 계면저항이 낮아진다.

 

이를 통해 전기차 요소인 충전출력을 확보해 시간을 단축시키는 효과를 만들어낼 수 있다. 

 

또한 이런 탭리스 형태의 배터리는 제조공정에서 또한 효율성을 높인다. 일부 공정을 감소시키는 효과를 만들어 낼 수 있다.

모든 배터리는 양극을 가진 전자의 움직임을 통한 에너지활동을 활용하는 것인데 이를 통제하지 못하면 열과 충돌 화재 폭발로 이어질 수 있다.

탭리스 배터리의 탭 면적부분이 양쪽으로 음극/양극으로 나누어서 만들고 안정성을 위해 공간을 띄워놓고 양극과 음극 절연을을 위해 공간을 활용하고 하면 배터리의 효율과 에너지밀도는 줄어드는 반비례 관계를 갖고 있다. 이를 효과적으로 디자인하는 것이 섬세함과 기술이 접목되어야하는 부분으로 해결해야하는 부분들이 아직 존재한다.

공정의 정밀과 기술을 통해 기업의 수지타산이 이뤄졌을때 상품화될 수 있기 때문에 양산에는 더욱 어려움이 있을 것이다.