▲ 김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)

분리막의 역할은 양극과 음극을 물리적으로 격리해 접촉에 의한 전기적 단락을 차단하는 것이다. 리튬이온전지 열폭주의 직접적인 원인은 분리막의 파손이다. 분리막은 전기화학 반응에 참여하지 않는 비활성 소재로 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하는 역할을 한다. 전자의 이동을 막고 0.01 ~ 1㎛의 미세한 구멍을 통해 리튬이온만 통과시킨다. 

재질은 폴리에틸렌(Poly ethylene)과 폴리프로필렌(Poly propylene)으로 복합구조의 분리막은 중심부에 폴리에틸렌막이, 바깥쪽에 폴리프로필렌막이 접합돼있다. 

폴리에틸렌막은 융점이 낮아 온도 상승 시 폴리프로필렌보다 먼저 융해된다. 따라서 리튬이온전지 온도가 상승할 경우 135℃ 부근에서 폴리에틸렌막이 먼저 용해돼 이온의 흐름을 차단하고 발열반응을 지연시켜 전지를 보호한다. 이것이 리튬이온전지의 셧다운(Shut down) 기능이다. 

하지만 전지 온도가 계속해 상승할 경우 폴리프로필렌도 155℃에서 용해되고 결국 열폭주로 이어지는 브레이크다운(Break down) 현상이 발생한다. 

초창기 리튬이온전지는 분리막의 두께가 25㎛였지만 제조기술이 향상되고 에너지 밀도가 높아지면서 점점 얇아지기 시작했다. 현재 리튬이온전지에 채용하고 있는 분리막 두께는 18㎛ 이하로 과거보다 분리막의 손상위험이 커졌다. 

분리막은 제조방법에 따라 건식법과 습식법으로 나뉜다. 건식법은 폴리프로필렌을 녹여 필름 형태로 만든 후 연신과 열고정 과정을 거쳐 라멜라구조(Lamella structure)라 하는 비결정/결정구조의 혼합구조를 형성시킨 뒤 이 필름을 다시 저온으로 연신해 결정계면에서 미세균열을 발생시켜 천공을 형성한다.

건식분리막은 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 2~3층으로 접하는 다층구조로 왁스를 사용하지 않고 열처리 공정만으로 기공을 형성한다. 건식분리막은 초기투자비용이 적고 유해물질이 나오지 않아 친환경적이나 균일한 기공을 내는 기술이 필요하기에 기술장벽이 높다. 

이렇게 만들어진 분리막은 기공의 직진도가 높아 리튬이온이 이동하기 쉽고 전기적인 특성이 우수하며 습식막에 비해 더 얇게 만들 수 있다는 장점이 있다. 건식분리막을 제조하는 업체로는 일본의 우베, 미국의 셀가드, 한국의 씨에스텍 등이 있다.

반면에 습식분리막은 폴리에틸렌을 왁스와 섞어 녹인 후 압출해 필름을 만든 후 용매를 이용해 섞여 있던 왁스를 녹여 구멍을 형성하고 연신해 구멍을 확장하는 방식을 취한다. 이는 초기 투자비용이 많이 들고 유해물질이 많이 발생하며 전기적인 특성이 건식보다 떨어진다. 하지만 제작이 간편하고 균일한 기공을 만들 수 있으며 건식보다 강도가 우수한 특징이 있다. 

현재 국내 업체 중 습식분리막을 제조하는 대표적인 곳은 SK이노베이션이다. 습식막은 양쪽으로 연신하고 건식막은 롤 방향으로만 연신하기 때문에 건식법은 롤 방향으로는 강도가 강하지만 롤 수직 방향으로는 강도가 낮다. 기공의 형상은 건식은 두께 방향으로 직선이지만 습식은 불규칙한 곡선 형태다. 직선인 기공에선 리튬이온의 이동속도가 빠르므로 건식분리막의 출력이 더 우수한 특징이 있지만 건식막의 기공이 직선 형태이기 때문에 뚫림 현상에는 더 취약하다. 

김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)

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