리튬이온배터리 분리막(Separator)의 역할과 특성

리튬이온배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해액의 4가지 핵심소재가 있다. 이번 글에서는 안전성에 기여하는 소재인 분리막(Separator) 분리막에 필요한 특성들에 대해서 이야기 해보고자 한다.

SKIET의 분리막제품 (SK이노베이션)

분리막은 양극과 음극을 차단시키는 역할을 한다. 양극과 음극에 전기가 흐르지 않게 차단시킴으로써 배터리의 단락(쇼트)를 방지한다. 분리막은 보통 전기전도성이 없는 절연 고분자(polymer) 소재를 사용한다. 대표적으로 PP(Poly propylene), PE(Poly ethylene)이 널리 이용되고 있다. 

 

 

1. 두께 

a:분리막 전자현미경사진 b:분리막 단면 (출처 : Crystals 2021, 11, 1013)

분리막은 두께가 얇을수록 좋다. 그 이유는 배터리의 저항과 관계가 있기 때문이다. 두께가 높아지면 그만큼 저항이 증가하기 때문에 배터리 성능이 떨어져 낮은 에너지밀도를 갖는다. 반대로 두께가 얇아지면 저항이 감소하기 때문에 높은 에너지밀도를 발현할 수 있다. 

 

 

2. Wettability (젖음성)

분리막의 Wettablilty (출처 : Y. Xie et al. / Journal of Membrane Science 503 (2016) 25–30)

분리막의 Wettability는 중요한 조건 중 하나이다. 고분자로 구성된 분리막에 전해액이 잘 흡수되지 않으면 리튬이온이 통과하는 경로가 줄어든다. 결과적으로 전해액에 대한 분리막의 Wettability가 좋을수록 리튬이온이 잘 투과하는 성질을 갖는다.  

 

 

3. Porosity (기공도) 

적절한 Porosity를 갖는 것이 중요하다. Porosity가 너무 높으면 배터리 내부 단락(쇼트)가 잘 일어날 수 있다. 반면에 Porosity가 너무 낮으면 리튬이온이 통과할 수 있는 구멍이 감소하기 때문에 리튬이온 전도도가 낮아지게 되는 단점이 있다. 결과적으로 분리막의 여러 특성을 조합하여 적합한 기공도를 갖는 것이 중요하다.

 

 

4. 열적안정성

온도에 따른 PE 분리막 형상 변화 (출처 : Crystals 2021, 11, 1013)

현재 널리 사용되는 PP나 PE는 녹는점이 130~150도 사이에 존재한다. 이것은 고분자 소재 특성이기 때문에 녹는점을 크게 증가시키기에 어려움이 있다. 배터리에 열화가 발생하면 내부 온도가 증가한다. 결과적으로는 분리막이 녹아 단락(쇼트) 및 화재가 일어나는 문제가 있다. 따라서 열적안정성이 높을수록 좋은 특징을 갖는다.

 

 

 

리튬이온배터리의 화재와 연결되는 분리막은 전고체전지가 개발되지 않는 이상 필수적으로 사용하는 소재이다. 현재 전기차의 화재에 대한 안전성 문제가 관심을 받아오고 있다. 전기차 업체들은 화재에 대한 안정성을 갖고, 높은 에너지출력이 가능한 전기차를 생산해야한다. 따라서 낮은 두께, 우수한 Wettability, 높은 Porosity 그리고 우수한 열적안정성을 보유한 분리막을 개발해야할 필요가 있다.