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1. 건식 분리막
- 폴리에틸렌 (PE), 폴리프로필렌 (PP)으로 만든 필름을 기계적인 힘으로 잡아당겨 미세균열을 발생시키는 방식으로 기공을 형성한 분리막
- 건식 분리막 종류 : PP, PE, PP/PE/PP
- 높은 에너지 밀도를 요구하지 않는 에너지저장장치 (ESS), 하이브리드자동차 (HEV), 전기 시내버스 등
| PP (Polypropylene) | PE (Polyethylene) |
| 열가소성 | 열가소성 |
| 높은 충격저항 | 유기 용매 내성 |
| 유기 용매 저항 | 가볍고 유연함, 성형성 |
| 자동차 부품, 소비재, 포장재 등 | 범용성이 높으며 페트병, 포장재 등으로 사용 |
2. 건식 분리막 제조법
- 건식 분리막은 습식과 달리 왁스를 사용하지 않으며 오일 추출이나 알루미나 등의 코팅 작업을 거치지 않음
- PE, PP 얇은 필름을 다층으로 접합하는 구조 (PE, PP, P.P)로 제조
- 물리적인 연신 및 열처리 공정만으로 기공을 만들고, 기계적인 물성을 제어
- 어닐링 (느리게 냉각) : 결정 구조 개선 목적
- 연신 공정 (Stretching process) : Cold stretching (기공 구조 생성), Hot stretching (기공 크기 증가) 병행 35~45%의 다공성을 가진 3층의 PP / PE / PP 분리막 생성
3. 건식 분리막 장단점
(1) 장점
- 간단한 제조공정으로 인해 낮은 단가로 대량 생산 가능
- 초기 투자 비용이 적으며, 유해물질 발생하지 않아 비교적 친환경적
- 원료인 폴리머 (PE, PP)의 결정구조를 유지하고 있어 고온에서 안정적
- 기공 분포가 일관성(직선적) 있게 형성되며 높은 기공도로 리튬 이온 전달 우수
(2) 단점
- 균일한 기공 크기의 분리막 제조 및 박막화가 어려움
- 구멍의 형성이 기계적인 힘에 의해서 이루어지며, 제어하기가 어려워 기술적으로 한계가 존재
- 기계적 강도가 낮음
4. 건식 분리막 특징 (1)
- 전기 주고 받아야 되는 특성상 발생한 운동에너지로 쉽게 열이 발생. 분리막이 열에 취약
- Chemical shutter : 3 layer (PP/PE/PP) 건식 분리막에서 중간층인 PE가 140도 정도에서 녹으면서 기공이 막혀 리튬 이온의 이동을 막음 (PP: 160도에서 shut down)
- 전류가 차단되면서 열폭주 (thermal runaway) 방지
- 열폭주 (thermal runaway) : 온도가 제어할 수 없게 올라가면서 전지의 발화, 폭화가 일어나는 현상
5. 건식 분리막 특징 (2)
- Roll 방향 강도는 강하지만, 수직 방향 강도가 약해 puncture strength가 낮음
- 연신 방향의 수직으로 긴 기공이 분포되어 있음 -> 리튬이온 전달성이 우수하여 고출력 가능
- 건식 분리막은 제곱 미터 당 1달러의 가격으로 구매 가능
- 막 두께는 10~20 마이크로미터로 제조되며, 얇을수록 용량 증가에 유리
6. 세라믹 코팅을 하는 이유는?
- 분리막의 내열성을 향상시켜 안정성 (safety) 강화하면서 동시에 성능도 향상하기 위해 개발된 코팅 기술로, 분리막 표면에 세라믹을 도포하는 원천 기술은 미국의 셀가드 (Celgard)가 보유하고 있음.
- 130도씨 이상의 온도에서 기존의 PE와 PP 소재의 고분자 필름은 열 수축에 의해 녹기 시작해 기공이 폐쇄되며 리튬 이온의 전달을 막는 셧다운 특성을 보임
- 150도씨 이상에서는, 분리막이 완전히 용융되어 내부 단락을 막지 못하고 붕괴 (meltdown) 하는 상태에 이르고, SEI 층이 발열 분해되면서 과열되는 현상과 맞물려 열 폭주 현상을 야기할 수 있음
7. 세라믹 코팅 분리막 개발 개요
- 세라믹 코팅 분리막 (Ceramic coated separator, CCS)은 열 안정성이 우수하고 외부 압력에 의한 분리막의 형태 변형이 적음
- 하지만 두꺼운 세라믹 코팅층은 전지의 에너지밀도를 저하시킬 뿐만 아니라 내부 저항의 증가로 인한 전지 성능 저하로 이어짐
- 따라서 열 안전성은 확보하면서도 얇고 전지 특성을 향상시키기 위한 차세대 CCS 연구가 활발히 진행 중
8. 기업 단위의 CCS 개발 방향
- 일본의 아사히 카세이, 수계 바인더를 이용해 분리막에 무기입자와 수계 바인더를 포함한 다공층 코팅
- LG 화학은 딥코팅 방식으로 세라믹 층을 도입한 안전성 강화 분리막 (Safety reinforced separator, SRS)을 적용하여 내부 단락을 방지
- SK 이노베이션은 자체 분리막 사업 보유, 전해액과 친화성을 갖는 세라믹 코팅 처리를 함
9. 안전성 강화 분리막
- SRS은 LG화학이 2004년에 독자 기술로 만든 분리막으로, 200도씨의 열도 버틸 수있고 폴리올레핀 소재를 사용하여 리튬 이온이 잘 통하게 만듦.
- 일반 CCS는 2개의 층으로 구성된 반면 LG화학의 SRS는 고내열성 첨가제나 무기물을 넣고 블렌딩한 2개의 유무기 복합층이 다공성 분리막을 위아래로 감싸는 구조를 띰
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