Special 차세대 전기차용 소재기술 개발 동향 및 산업전망(1)

차세대 자동차용 이차전지 분리막 기술개발 동향

김동원_한양대학교 화학공학과 교수

1. 서론
1991년 일본의 Sony사에 의해 리튬이차전지가 상업화된 이후 이들이 갖는 높은 에너지 밀도와 우수한 사이클 수명 특성으로 인해 리튬이차전지는 스마트폰, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전자 기기는 물론 전기자동차(electric vehicles, EV), 대용량 에너지저장장치(energy storage systems, ESS)용 전원으로 급속하게 응용이 확대되고 있다[1-4]. 리튬이차전지를 구성하는 4대 핵심 소재로는 음극, 양극, 전해질, 분리막이 있으며, 이들 구성 요소들 중 분리막은 양극과 음극 사이에 위치하여, 두 전극 간의 전기적 단락을 방지하고, 전지 내에서 이온의 흐름을 가능하게 하는 기능을 갖는다[5,6]. 분리막은 그 자체로는 전기화학반응에 참여하지 않는 비활성 소재이지만 이차전지의 성능 및 안전성에 큰 영향을 미치는 소재이다. 특히 최근 들어 전기자동차나 에너지저장장치 등 중대형 리튬이차전지의 응용이 급속히 확대됨에 따라 전지 안전성 이슈가 크게 주목받게 되었고, 이로 인해 고안전성 분리막에 대한 관심이 증대되고 있는 상황이다. 본 고에서는, 이와 같이 최근 높은 관심을 받고 있는 리튬이차전지용 분리막의 기능과 역할, 소재, 제조 공정, 요구 특성 등에 대해 알아보고, 차세대 전기자동차용 이차전지 분리막의 기술 개발 동향과 전망에 대해서 논의하고자 한다.

2. 분리막의 기능과 역할
그림 1은 리튬이차전지의 구조와 폴리에틸렌 분리막의 전자현미경 사진을 나타낸다. 분리막은 리튬이차전지 내에서 양극과 음극을 격리시켜 두 전극의 물리적 접촉에 의한 전기적 단락(electric short-circuit)을 방지하고, 미세 기공 내에 함침된 전해액을 통해 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 한다. 분리막은 두 전극의 접촉뿐만 아니라 전극으로부터 탈리되는 물질들이 통과하는 것을 방지할 수 있다. 가장 많이 사용되고 있는 분리막 소재로는 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 등의 폴리올레핀계 고분자를 들 수 있는데, 이들은 우수한 기계적 강도와 화학적 안정성을 가지고 있으며 가격이 저렴한 장점이 있다. 상용화된 분리막 제품들은 0.03~1 μm 크기의 기공과 30~50% 범위의 기공도 (porosity)를 나타내며, 용융 온도 (PE : ~135 oC, PP : ~165 oC)가 낮은 편이다. 따라서 내부 단락으로 전지 내 온도가 급격히 상승할 경우 분리막이 용융되어 기공들을 막음으로써 리튬 이온의 이동을 차단(shutdown)시키고 발열 반응을 지연시켜 전지의 안전성을 높이는 역할을 한다. 전지 제조시 전지의 고용량화를 위해서는 얇은 두께의 분리막을 사용하는 것이 바람직한데, 최근 시판되고 있는 고에너지밀도 리튬이차전지의 경우 10 μm 이하의 두께를 갖는 분리막도 적용되고 있다.

그림 1. 리튬이차전지의 구조와 폴리에틸렌 분리막 표면의 전자현미경 사진

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