리튬이온배터리 셀 - III (전해질, 분리막)

※참고하면 좋은 글 :

1. 리튬배터리 시스템에 대한 이해(배터리 팩 HW정리)

https://limitsinx.tistory.com/14?category=960086 

배터리 팩에 대한 이해(Analysis of Battery Pack, Battery System)

2. 배터리 셀의 종류

https://limitsinx.tistory.com/183

리튬이온배터리 셀 - I (전기차용 배터리 셀의 종류)

3. 셀 전극설계

https://limitsinx.tistory.com/184

리튬이온배터리 셀 - II (셀 전극설계)

 

 

분리막(Separator)

출처 : 삼성SDI 공식블로그

 

분리막은 안정성 측면에서 정말 중요한 배터리 요소중 하나입니다.

분리막은 양극(Positive electrode)와 음극(Negative electrode)사이에 리튬이온만 이동할수있도록, 즉 전자가 이동할수없도록 막아주는 격벽 역할을 하고있습니다.

 

출처 : https://www.tomografi.it/download/bhcs34594_lithium_ion_battery_flyer_r1.pdf

 

뿐만아니라, 셀 공정과정에서 집전체들을 리드탭으로 이어붙일때, 셀 양 끝단에 압력이가해지면 전극이 휘게되는데 이때 전극간 접촉이 되지않도록 분리막이 물리적인 격벽을 하는 역할도 하고있습니다.

 

심플한 분리막은 Polyolefiin(폴리올레핀,PE) 원단을 사용하며 폴리프로필렌(PP)를 사용하기도합니다.

두께는 10~20 micro meter 정도이며, 소형셀에는 원단그대로 사용되는 경우가 있지만, EV용 혹은 소형이 아닌 셀을 구성할때는 분리막을 더욱 견고히 하기위해세라믹 코팅이나 각종 코팅기법들이 적용됩니다.

 

출처 : 화학공학소재연구정보센터

 

이런식으로 PE/PP 원단위에 세라믹 코팅을 하여 전자전도도 뿐만아니라 리튬덴드라이트 혹은 이물질에 의한 물리적 관통까지도 막으려고 하고있습니다.

코팅도 분리막의 양쪽면을 다하느냐, 한쪽면만 하느냐에따라 양/단면 코팅으로 나누어집니다.

 

이렇게 세라믹코팅을 하는것을 CCS(Ceramic Coated Separator)라고 부르는데, 이외에도 MFS(Multi-Functional Separator), MCS(Multi coated Separator)...등 다양한 종류가 있습니다.

 

출처 : 산업은행

분리막은 제조방식고 원재료에 따라서도 구분할 수 있습니다.

 

① 습식 분리막

습식 제조방식은 PE를 압출과 화학공정을 거쳐 필름의 양면에 기공을 형성하는 단층필름형태로 만들고, 고분자소재를 고온에서 필름에 압출하는 방식으로 미세 다공구조의 형상을 가집니다.

해당방식은 분리막 제조공정을 위한 초기투자비용이 많이들며, 유해물질이 발생한다는 단점이있습니다.

하지만, 제작이 간편하고 무엇보다 다소 균일한 기공을 가질수있어, 아이폰이나 갤럭시같은 소형 배터리에 많이 사용됩니다.

 

② 건식 분리막

건식 제조공법의 경우, PP/PE를 여러층의 필름으로 접합한다음, 물리적인 Spread(잡아늘려주는)와 열처리 공정으로 다공구조를 만듭니다.

습식과 비교하여 상대적으로 초기투자비용은 덜드는편이고, 유해물질이 나오지않아 친환경적인 공법이지만, Dry한 상태에서 특정물질에 균일한 기공을 만드는 기술은 기술적 난이도가 아주 높은편입니다. 주로 중/대형 배터리셀을 만드는데 많이 사용되는 기법입니다.

 

출처 : SK이노베이션

 

분리막도 전극과 마찬가지로 Generation이 있습니다.

최종목적은 어떠한 경우에도 내부쇼트가 발생하지 않을정도의 전기화학적/물리적으로 튼튼한 분리막을 만듦과 동시에  생산원가도 낮추는것입니다.

두마리 토끼를 잡는것이 쉽지않지만, 여러 분리막생성 공법 및 신소재를 활용한 코팅기술개발이 이루어지고 있습니다.

 

전고체배터리에는 별도의 분리막이 존재하지않기때문에 리튬이온배터리를 쓰는 한에서만 개발되어, 기술 개발의 임계점은 존재할것으로 보고있습니다.

 

전해질(Electrolyte)

출처 : 삼성SDI

 

전해질은 전고체전지는 논외로하고, 액체인 기준으로 작성하였습니다.

전해질은 크게 3가지로 정의됩니다.

상기 이미지와같이 염, 솔밴트, 첨가제인데요, 셀 공정과정에서도 꼭 필요한 아주 중요한 요소입니다.

 

배터리 셀 내부에서는 리튬이온이 양극과 음극을 자유로이 오가야하기때문에 리튬이온전도도가 높은 소재를 사용하는것이 필수적이며, 이런 리튬이온의 이동통로 역할을 해주는것이 염입니다.

솔밴트는 염을 용해시켜 전해액으로써 존재할수있도록 도움을 주는 물질입니다.

첨가제는 아주 다양한 종류가 있는데, 대표적으로는 적절한 SEI를 형성해주기 위한 SEI형성 억제물질과 SEI형성 유도물질입니다.

SEI는 특정두께이상으로 두꺼워지면 분리막과같은 안전라인 역할이아니라, 저항체로 작용하기때문에 적절한 두께로 만들고 유지해주는게 중요한데요, 이때 필요한 화학소재들은 첨가제라고 보시면 됩니다.

 

또한, 이런식으로도 많은 연구가 이루어지고있으며, 그냥 '첨가제'라고 적어서 그렇지 배터리의 퍼포먼스를 제어하기위한 부자재들을 통칭하는 단어입니다.

 

http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=224645 

UNIST, 배터리 노화 막는 ‘전해질 첨가제’ 개발 - 투데이에너지

http://www.e-patentnews.com/6521

≪특허뉴스≫ [사이언스] 전해액 첨가제 0.5% 더하면... 전기차 배터리 용량·수명 늘린다

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출처 : http://wiki.hash.kr/index.php?title=%EC%97%B4%ED%8F%AD%EC%A3%BC&mobileaction=toggle_view_desktop

 

전해질은 배터리 열폭주와도 아주 관련이 깊습니다.

배터리의 열관리를 잘못해주어 70'C이상으로 올라가게되면 전해질이 분해되어 '기체화'됩니다.

이렇게 생성된 기체는 가연성이라 불이 잘붙는데요, 즉 가연성기체에 조금의 스파크나 내부쇼트라도 있으면 바로 발화 및 열폭주(Thermal Runaway)로 이어지게 되는것입니다.

(물론 다른 열폭주메커니즘들도 많습니다.)

 

그럼 비가연성재료로 전해질을 만들면되지않냐?? 라고 의문을 품으실수있습니다.

실제로 납축전지는 전해질로 H2O(물)을 사용하고있습니다.

그런데  왜 리튬배터리는 이렇게 안정성까지 포기하면서 가연성 전해질을 사용하는걸까요??

그 이유는, 전극의 전위때문입니다. 

물을 1V부터 분해작용을 시작합니다. 납축전지의 전극은 1V이하의 전위를 가지기에 물의 전기분해와는 전혀 관계가 없었죠

하지만 리튬이온은 4V까지도 사용하고있는데요, 비가연성재료 중에서는 아쉽게도 전기분해되는 전압이 전부 낮아서 리튬배터리를 쓰는한 전기분해로부터 자유로운 소재가 없습니다.

전해질의 발화가능성 문제를 해결하기위해서는 전고체전지로 넘어가야될것으로 보고있습니다.

 

https://limitsinx.tistory.com/5?category=960086 

배터리 열폭주(Thermal runaway)에 대한 간단한 이해

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이번 LG배터리 셀들이 불이 많이나고있는 이유중에서, 분리막도 큰 원인요소로 꼽히고있습니다.

중국업체의 분리막을 사용한것으로 알고있는데, 셀업체입장에서는 원가절감을 위해 분리막을 가능한한 얇고 코팅도 덜하고 최대한 추가적인 작업을 하지않고 내보내는것이 유리합니다.

따라서, 극도로 원가절감된 배터리셀들은 화재위험성에 노출되어있으며, 기술력이 없는 업체의 분리막을 쓰는것또한 아주 위험한 행위입니다.

 

https://theguru.co.kr/mobile/article.html?no=24735 

美 배터리 연구소 "볼트 EV 화재, '공정 결함'에 따른 분리막 접힘이 문제"

그렉 레스 미시간대학교 배터리연구소 기술 전문가는 26일(현지시간) IT·과학 전문 매체 아스 테크니카(Ars technica)와의 인터뷰에서 "문제가 된 볼트 배터리는 양극과 음극 사이에 놓여 두 전극의 접촉을 방지하는 분리막이 원래 있어야 할 위치에 없었다"며 "분리막이 정상적으로 있었다면 음극탭 단선도 그 자체만으로는 문제가 되지 않았을 것"이라고 지적했다.