2차전지 - 분리막의 모든 것. 이해부터 활용까지

테마별 산업 분석 - 2차전지(4)  분리막의 모든 것

2차전지 분리막편 썸네일

2차전지의 화재를 막아주는 안전성 그 자체, 분리막

2차전지에 대한 공부를 하며 많이 언급된 것이 있습니다. 바로 양극과 음극이 만나면 안 된다는 것입니다.

그 이유는 양극과 음극이 물리적으로 접촉하면 화재가 발생하기 때문입니다. 

여기서 분리막은 그림의 점선처럼 양극과 음극의 물리적인 접촉을 차단하는 막을 의미합니다. 

2차전지 내부 중 분리막

분리막의 특징으로는 안전과 관련된 것들이 가장 중요하게 다뤄집니다.

 

●  전기절연성과 열 안정성을 모두 보유하고 있습니다.

    리튬이온의 이동으로 생성된 전기와 열을 견디기 위해 꼭 필요한 조건입니다.

 

●  리튬이온만 통과할 수 있는 미세한 구멍이 있습니다.

    이를 기공이라고 하는데, 배터리 내부의 온도가 일정 수준 이상으로 오르거나, 과전류가 흐를 경우에

    분리막 기공이 닫혀 통로를 차단하고 과열 상태를 조절한다고 합니다.

 

제조방식에 따라 나뉘는 분리막의 종류

분리막은 건식 분리막과 습식 분리막, 2가지 종류로 나뉘어 있습니다.

- 건식 분리막

건식 분리막의 재료는 PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌)으로 만든 필름입니다. 

이 필름을 물리적으로 잡아당기고 늘리면 필름이 커지며 기공이 만들어진다고 합니다. 

쉽게 말해 비닐봉지를 길게 잡아 늘려 사이사이에 찢어진 구멍이 생긴다고 이해하시면 될 것 같습니다. 

 

건식 분리막의 특징입니다.

●  제조과정이 복잡하지 않아 경제적이고 친환경적입니다. 

●  인위적으로 늘린 것이라 기공의 크기가 불규칙하고, 얇게 만들기가 어렵습니다. 

       기공의 크기가 불규칙한 것은 그만큼 양극과 음극을 차단하는 분리막의 기능이 떨어지는 것입니다.

●  에너지 밀도가 낮은 배터리에 적용됩니다.(안전성이 떨어지기 때문)

      ESS, 전기버스, LFP 배터리 등에 적용된다고 합니다.

 

- 습식 분리막(분리막의 핵심입니다.)

습식 분리막의 재료도 PE와 PP로 만든 필름입니다. 다만, 여기선 필름에 오일을 섞어서 사용합니다.

오일이 섞인 필름을 고온, 고압으로 압출하여 납작하게 제조합니다. 

PE, PP 필름이 식으며 굳어지면서 늘어난 필름 채워진 오일이 빠지면서 기공이 형성된다고 합니다. 

 

습식 분리막의 특징입니다.

●  제조과정이 복잡하고, 소재 사용량이 많아 비싸다고 합니다. 

●  기공 크기가 균일하게 만들어집니다. 오일을 이용하였기에 더 얇은 분리막도 제조할 수 있습니다. 

●  안전성이 보장되어 고용량, 고출력 배터리 제조(전기차 배터리)에 사용 가능합니다.

    현재 전기차에 들어가는 배터리의 분리막은 모두 습식 분리막으로 이루어져 있습니다.  

 

분리막에서 가장 해결해야 하는 문제점, 덴드라이트

분리막은 항상 안전성이 가장 중요한 과제입니다.

그중 가장 해결해야 할 문제가 바로 덴드라이트(나뭇가지처럼 뾰족한 형태) 현상입니다.

덴드라이트 현상

덴드라이트 현상은 충전과정에서 음극 표면에 리튬 결정이 맺히고,

이것이 핵이 되어 쌓이는 현상을 의미합니다.

 

덴드라이트 현상은 2가지 치명적인 문제점이 있습니다. 

양극과 음극을 이동하며 에너지를 생성해야 할 리튬이온이 음극 표면에 고정되기에

에너지 효율이 크게 떨어진다는 점입니다. 

또한, 덴드라이트 현상으로 생긴 리튬 결정은 사진과 같이 날카로워

분리막을 뚫을 수 있다는 점도 큰 문제점입니다.

안전성이 가장 중요한 분리막에 이러한 현상은 매우 치명적으로 작용하기에

분리막 사업의 가장 해결해야 하는 중요한 과제라고 할 수 있습니다. 

 

분리막 사업에 있어 유심히 볼만한 기업 

유의해서 봐야 할 한국 기업으로는 SK아이테크놀로지(361610)가 있습니다.

현재는 LG에너지설루션과 SK온에 공급을 하고 있으며 국내 분리막 회사 중 가장 규모가 큽니다.

 

다만, 대부분 분리막의 점유율은 중국이 차지하고 있습니다.

SK아이테크놀로지는 대략 15% 정도의 점유율을 가지고 있습니다.

중국 창신 신소재가 40%가 넘는 점유율을 가지고 있고, 그 외의 중국 기업들도 여럿 있습니다. 

 

하지만, 미국의 IRA 정책에 따라 중국 회사의 분리막은 전기차 수혜를 받지 못하기에

점유율은 점차 감소될 것으로 예상됩니다. 

SK아이테크놀로지는 북미 공장 증설로 인해 IRA 전기차 수혜를 받을 것이고 이는 결국

점유율의 증가로 이어질 것입니다. 

 

재무 상으로도 올해 2분기에 리튬이온 배터리 분리막 사업 호조로 인해 흑자 전환에 성공했다고 합니다. 

SK온과의 장기 계약을 맺고 북미와 해외 고객사 등과도 여러 장기 계약을 체결하고 있습니다.

SNE 리서치의 말처럼 분리막시장 규모 역시 2025년에 11조 원까지 성장할 것으로 예측되는 것으로

보아, 시장의 전망도 뚜렷하고 기술력도 가진 좋은 먹거리가 될 것이라 생각합니다.   

 

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