배터리 분리막(세퍼레이터) 완벽 이해: 기기의 안전과 효율을 지키는 핵심 부품

배터리 분리막(세퍼레이터)이란 정확히 무엇인가?

리튬이온 배터리 구조

배터리 분리막은 양극(캐소드)과 음극(애노드) 사이에 있는 투과성 막입니다. 둘은 배터리의 전극입니다.

분리막은 두 전극을 분리해 전기적 단락을 방지합니다. 양극은 양전극, 음극은 음전극입니다. (역주: 충전 시 양극이 캐소드, 음극이 애노드 역할을 하며 방전 시 반대입니다. 본문에서는 양극을 애노드, 음극을 캐소드로 표기했으나 일반적으로 양극=캐소드, 음극=애노드로 부릅니다. 여기선 원문 표기를 따릅니다.)

또한 분리막은 중요한 구성 요소입니다. 전자가 캐소드나 애노드로부터/로 이동하는 통로 역할을 합니다. 배터리 분리막은 리튬 이온 수송을 허용하기 위해 다공성이어야 합니다.

리튬이온 배터리의 성능과 효율은 분리막의 특성과 구조에 달려 있습니다.

배터리 분리막의 기능은?

배터리 분리막의 기능은 단락 방지를 통한 안전 보장입니다.

그게 전부가 아닙니다.

배터리 분리막의 주된 역할은 이온의 안전한 이동을 허용하는 것입니다. 이것이 배터리가 전자 기기를 충전하게 만듭니다.

배터리 충전 시 전자는 양극(애노드)에서 음극(캐소드)으로 이동합니다. 방전 시에는 전자가 음극(캐소드)에서 양극(애노드)으로 역방향 이동합니다.

배터리 분리막의 구조는?

구조는 세 부분으로 단순합니다: 캐소드, 애노드, 다공성 분리막. 간단하죠?

아래 그림을 보세요.

AA 셀 구조

전자 이동은 양극 또는 음극 전극에서 일어납니다. 캐소드는 음전극, 애노드는 양전극이며 배터리 충전/방전 역할에 따라 달라집니다.

분리막은 전자 이동을 허용하기 위해 다공성입니다. 효율을 위해 분리막은 보통 미세 다공층을 형성하는 폴리머 막으로 구성됩니다.

육안으로 보이지 않지만 기공은 리튬 이온 이동을 허용합니다.

분리막 없이는 배터리 기능이 무효화됩니다. 다공성 폴리올레핀 필름이 보조 배터리가 이상적일 때(자가 방전) 이온 누설을 제어합니다.

미세다공층은 전기 전도성을 허용하지 않아 항상 절연체 역할을 합니다.

유의할 점은 온도가 분리막 성능에 영향을 준다는 것입니다. 온도가 특정 지점까지 오르면 기공이 막혀 닫힙니다. 따라서 리튬 이온 이동이 멈춥니다.

상용 배터리 분리막은 어떤 재료로 만드는가?

재료는 비전도체여야 하며 우수한 열 안정성(나중에 설명)을 가져야 합니다.

제조사들은 충전식 리튬이온 배터리 생산에 특수 등급의 폴리올레핀을 사용합니다. 폴리올레핀 재료는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 라미네이팅해 만듭니다.

폴리올레핀은 기계적 특성, 화학적 안정성 때문에 선호됩니다. 기업들은 저렴한 비용 때문에도 폴리올레핀을 선호합니다.

아래 이미지는 충전식 배터리에 적용 가능한 폴리올레핀 배터리 분리막입니다.

출처: Plasticstoday.com

폴리올레핀 외에 다른 재료로는:

• 폴리염화 비닐(PVC)
• 나일론 세라믹 코팅층
• 폴리에스터
• 석면
• 유리
• 테트라플루오로에틸렌

배터리 분리막 제조 공정

구조와 마찬가지로 배터리 분리막 생산 공정도 단순합니다. 폴리올레핀 재료를 스트레칭(건식)하거나 습식 가공해 만듭니다.

건식 공정은 기계적 힘으로 기공을 만듭니다. 높은 전력 밀도에 적합합니다.

습식 공정은 폴리올레핀 필름 재료에 첨가제를 첨가합니다. 즉, 기공을 만드는 화학적 공정입니다.

단순하지만 건식 공정은 기공 크기가 제각각이 됩니다. 결과적으로 분리막 효과가 감소합니다. 건식 공정은 분리막을 약화시켜 관통 강도도 낮춥니다.

습식 공정은 조금 더 복잡하고 비쌉니다. 다행히 균일한 기공 크기를 만듭니다. 결과적으로 습윤성(wettability)이 개선됩니다.

참고: 습윤성은 배터리 분리막이 전해질 용액으로 '젖는' 능력입니다. 습식 공정이 효과적이지만 전해질 보유력을 높이지는 않습니다.

배터리 분리막의 특성은?

이 질문은 좋은 보조 배터리 분리막을 만드는 요소를 이해하는 데 도움이 됩니다. 분리막은 배터리 효율뿐만 아니라 안전도 책임집니다.

두 요구 사항(효율과 안전)을 각각의 특성을 살펴봄으로써 가장 잘 이해할 수 있습니다. 자, 시작해 봅시다.

리튬이온 배터리

1. 화학적 안정성

이미 아시다시피 배터리 분리막은 비전도성 특성을 가져야 합니다. 즉, 분리막이 양극이나 음극 전극과 반응하지 않아야 합니다.

또한 분리막은 화학적으로 안정해야 합니다. 다시 말해 분리막이 액체 전해질과 반응하지 않아야 합니다. 이런 안정성이 배터리 열화를 극복하는 데 도움을 줍니다.

2. 두께와 기계적 강도

목표는 기계적 강도를 잃지 않으면서 얇은 배터리를 개발하는 것입니다. 즉, 리튬이온 배터리 분리막이 얇으면 전력 및 에너지 밀도를 높이는 데 도움이 됩니다.

이를 염두에 두고 배터리 제조사들은 1차 배터리에 충분한 인장 강도를 확보합니다. 이는 특히 권취(winding) 공정 중 배터리 늘어남을 방지하는 데 도움이 됩니다.

3. 다공성과 기공 밀도

목적은 분리막이 높은 기공 밀도를 갖게 하는 것입니다. 이는 전해질을 머금고 전극 간 리튬 이온의 자유로운 이동을 허용합니다.

분리막의 다공성이 너무 크지도 작지도 않아야 합니다. 기공 크기는 배터리가 셧다운될 때 닫힐 수 있을 정도로 충분히 넓어야 합니다.

분리막 다공성은 백분율로 측정합니다. 평균 다공성은 40%입니다. 네, 기공은 균일하게 분포해야 합니다.

4. 열 안정성

분리막은 넓은 온도 범위를 견뎌야 합니다. 매우 높은 온도에서 말리거나 주름지지 않아야 합니다. 분리막은 폴리머의 녹는점보다 낮은 온도에서 열 폭주(thermal runaway) 전에 셧다운되어야 합니다. 본질적으로 이는 어닐링(annealing) 공정입니다.

배터리 분리막의 과제(와 해결책)

충전식 리튬이온 배터리 성능 향상을 위한 끊임없는 개발이 있지만, 꽤 여러 과제에 직면해 있습니다.

대부분 과제는 새로운 수요 때문입니다. 예를 들어 고온을 견디는 배터리 수요가 있습니다.

또한 셀 특성을 해치지 않으면서 오래 지속되는 배터리 수요도 있습니다.

배터리 분리막 제조 과제 중 일부는:

a) 더 얇은 분리막 생산 필요성

b) 습윤성 증가 필요성

c) 고온에서 배터리 성능 개선 의도

이 과제들을 더 설명하겠습니다.

안정적인 열 성능 수요는 전력망과 전기차 발명 때문입니다. 두 발명 모두 고온을 견딜 수 있는 중장비 배터리를 요구합니다.

제조사들은 새로운 재료를 사용해 셀 성능을 개선하고 있습니다. 폴리올레핀보다 열 안정성이 더 좋습니다.

향상된 습윤성 수요는 폴리올레핀의 비호환성 때문입니다. 폴리머 선택이 일반적인 전해질 재료와 호환되지 않습니다.

새로운 관행적 전해질은 높은 유전율을 특징으로 합니다. 이는 배터리 제조 공정을 단축하는 데 도움이 됩니다.

동시에 폴리올레핀의 비호환성은 고르지 않은 전류 분포를 초래합니다. 결과적으로 전기 기기를 충분히 오래 충전하지 못하는 1차 배터리가 됩니다.

마지막으로 항상 더 얇은 배터리에 대한 수요가 있습니다. 예상대로 이는 도전적입니다. 배터리는 더 많은 전하를 담기 위해 더 두꺼운 전극이 필요합니다. 그럼에도 기업들은 리튬의 고분자량 향상을 위해 특수 폴리올레핀 등급을 개발하고 있습니다.

리튬이온 배터리 분야의 발전은?

제조사들은 배터리 분리막 성능 향상을 위해 밤을 새워 일합니다.

기업들은 습윤성과 열 안정성을 강화하는 독자적(잠재적으로 특허받은) 방법을 개발합니다. 지금까지의 개선 사항을 살펴보겠습니다.

리튬이온 배터리

a) 실리카 나노입자로 분리막 장식

이 공정은 분리막의 기공과 기공 벽에 실리카 나노입자를 부착하는 것입니다. 기대 결과는 배터리 전해질에 대한 습윤성 향상입니다. 이 방법은 배터리 내열성도 강화합니다.

분리막 재료가 내열성을 높이는 동안 실리카 나노입자는 습윤성을 높입니다.

b) 상전환 공정(Phase Inversion Process)을 이용한 신규 PEI(폴리에테르이미드) 생산

이 공정은 PD와 BPADA를 사용해 분리막을 생산합니다. 배터리 분리막이 더 나은 특성을 가지게 되어 유용합니다. 예를 들어 분리막이 넓은 전도도 범위를 처리할 수 있습니다.

PEI는 배터리 팽창 정도도 최소화합니다. 결과적으로 빠른 전해질 위킹(wicking)이 일어납니다.

더 나아가 배터리 분리막은 220°C까지 열 안정성을 보입니다.

c) 수소 유도 가교(Hydrogen Induced Crosslinking, HHC)

이 기술은 폴리에틸렌 옥사이드를 PP 분리막에 공유 결합으로 가교하는 것입니다. 효과는 폴리올레핀의 전해질 친화도 증가입니다.

이런 수정으로 리튬이온 배터리는 높은 용량 유지율을 가집니다. 배터리 내부 저항도 낮습니다.

결론

우리가 본 바와 같이, 배터리 분리막은 절연체 역할을 하는 투과성 막입니다. 음극(캐소드)을 양극(애노드)에서 분리합니다.

분리막은 배터리 효과를 결정하는 중요한 소재입니다. 신뢰성 낮은 분리막이면 2차 배터리 품질도 그만큼 낮습니다.

배터리 제조사들은 분리막 성능을 강화하는 새로운 배터리 분리막 기술을 발견하고 있습니다. 예를 들어 그런 2차 배터리는 WellPCB에서 구할 수 있는 PCB(인쇄 회로 기판)에 적용 가능합니다.