삼성SDI가 전하는..배터리 분리막의 핵심 역할은 전기차 화재 안전성!

[[삼성SDI 제공] 정리=데일리카 하영선 기자] 친환경 전기차의 핵심은 배터리라는 말이 나온다. 배터리는 양극과 음극, 분리막, 전해질 등으로 구성되는데, 이중에서도 분리막은 배터리의 안전성을 높이는 데 있어 중요한 요소로 꼽힌다.

“하얀색이네?” 사람들이 음극, 양극, 분리막을 감은 벨리롤을 보고 제일 먼저 하는 말입니다. 양극 활물질과 음극 활물질은 모두 검은색이고, 양극과 음극 기재인 알루미늄과 구리는 금속색을 띠지요. 이 모든 소재를 감은 젤리롤이 하얀색인 이유는 분리막이 음극과 양극을 모두 감싸고 있기 때문입니다.

분리막은 음극과 양극이 닿는 것을 방지하기 위해 와인딩 단계에서부터 음극과 양극보다 더 크게 포장되어 있고, 맨 마지막 층은 분리막으로만 감싸 있기 때문에 일반인의 눈에는 하얀 비닐과 같은 분리막만 보이게 되는 것이죠.

분리막은 크게 네 가지 역할을 맡습니다. 그 첫번째로 이름에서 알 수 있듯이 배터리 내부의 양극과 음극이 접촉하지 않도록 물리적으로 분리하는 역할을 합니다. 어떤 비정상적인 상태로 인해 양극과 음극이 접촉하면 단락(short)이 발생하고 급격한 반응으로 인해 화재나 폭발이 발생할 수 있는데요. 절연층인 분리막은 이런 상황이 일어나지 않도록 막아주는 역할을 하죠.

두번째로 눈에는 보이지 않는 포어(pore)라는 기공을 통해 리튬이온이 양극과 음극으로 이동할 수 있는 통로 역할을 합니다. 이 통로로 리튬이온은 양극과 음극을 오가며 충전과 방전을 할 수 있습니다.

세번째로 배터리 내부 온도가 일정 수준 이상 올라가면 분리막의 표면에 있는 기공들이 막히면서 리튬이온의 이동을 차단하는 역할도 맡습니다. 이는 뜨거운 열에 비닐이 수축하는 것과 같은 원리로 열리 오르는 상황에서 기공들이 닫혀 단락이 일어나지 않도록 하는 거죠.

또 높은 기계적 강도를 지니고 있는 분리막은 강한 힘을 받을 때 배터리 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질이 두 극 사이를 오가는 걸 차단하는 역할을 합니다. 역시 안전성을 확보하게 되는 것이죠.

이런 분리막 자체는 배터리 용량과는 무관합니다. 하지만 분리막의 두께가 얇으면 동일한 부피 내 양극과 음극 활물질을 더 넣을 수 있기 때문에 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 그래서 삼성SDI는 분리막의 두께를 줄이는 연구도 동시에 진행하고 있습니다.

리튬이온배터리에서 사용하는 박막 분리막의 두께는 5~30마이크로미터(㎛) 정도로 매우 작은데요, 배터리 업체들은 기계적 강도는 더 높으면서도 두께는 더 얇은 분리막의 개발에 공을 들이고 있습니다.

분리막의 제조 방식은 리튬이온이 오가는 기공을 어떻게 만드느냐에 따라 건식과 습식 등 두 가지로 나눌 수 있습니다.

건식 제조는 필름 원단을 당겨 PP나 PE의 결정의 계면 사이를 벌려서 기공을 만드는 방식으로 비교적 제조 공정이 간단한 편입니다.

습식 제조는 PE에 기름을 섞고 여러 첨가제를 넣어 고온과 고압으로 반죽해 필름을 뽑아내는 방식입니다. 이후 분리막을 냉각하며 성형할 때 PE와 기름의 상분리가 일어납니다. 그리고 기름을 용매 추출을 통해 뽑아내면 그 자리가 기공이 되는 것이죠.

건식과 습식은 장단점이 있는데요. 건식은 제조 공정이 간단하나 기공의 크기가 불균일하고 습식과 비교해 기계적 강도가 약합니다. 반면, 습식은 기공의 크기를 균일하게 만들 수 있는 장점은 있으나 제조공정이 복잡해 값이 상대적으로 비쌉니다.

예전에는 분리막에 베이스 필름이라는 원단 필름 소재 하나만 사용했는데, 최근에는 분리막의 성능을 강화하기 위해 다양한 소재와 코팅 방식을 채택하고 있습니다. 특히 코닝을 통해 분리막의 안전성은 한층 높아졌죠.

코팅 방식은 구체적으로 내열 코팅과 접착 코팅으로 나눌 수 있는데요. 내열 코팅은 분리막 원단 필름에 고내열 바인더와 세라믹 입자를 코팅해 원단의 수축을 억제하는 방식입니다. 접착 코팅은 분리막 원단 필름에 접착 바인더를 코팅하고 이를 극판과 접착해 안전성을 향상시키고 변형을 방지하는 방식입니다.

삼성SDI는 분리막 코팅 기술을 내재화해 차별화된 경쟁력을 확보하고 있습니다. 2013년 자체 연구개발을 시작해 2014년 구미사업장에 분리막 생산라인을 완성했습니다. 삼성SDI의 분리막은 외부에서 공급받은 원단에 세라믹과 폴리머 소재를 섞은 슬러리를 코팅하여 내열성과 접착성은 물론 뛰어난 원가 경쟁력을 갖추고 있습니다.

삼성SDI는 배터리 분리막 표면에 세라믹 코팅과 바인더 코팅을 동시에 하는 MCS(Multi-layer Coated Separator) 기술을 적용한 ‘고 내열성 접착 분리막’을 개발했는데요. 분리막 표면에 코팅을 하고 접착력을 더하면 내열 기능이 향상돼 배터리의 화재 위험을 크게 낮출 수 있고, 물리적 충격에 대한 안전성도 높일 수 있습니다.

[삼성SDI 제공]