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배터리 안전을 책임지는 ‘분리막’ – 삼성SDI
분리막은 간단히 설명하면 절연 소재의 얇은 막으로, 역할은 크게 4가지 정도로 요약할 수 있습니다. 우선, 이름에서 알 수 있듯이 분리막은 배터리 내부 …
Source: www.samsungsdi.co.kr
Date Published: 12/18/2022
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이차전지용 분리막 제조기술 및 시장전망
이차전지란 전기화학적 원리를 바탕으로 충방전. 이 가능한 에너지 저장장치를 말한다. 그중 리튬이. 온 이차전지는 리튬이온이 양극과 음극 사이를 오. 가며 전기를 저장 …
Source: www.cheric.org
Date Published: 9/21/2022
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[2차 전지 소재] 분리막 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석
또한 두께가 얇을수록 더 많은 양의 양극과 음극 활물질을 넣어 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 따라서 분리막에는 주로 폴리에틸렌(PE), …
Source: seongyun-dev.tistory.com
Date Published: 8/15/2022
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리튬이온 배터리 기초 5. 분리막이란?
분리막은 전기가 통하지 않는 절연 소재의 얇은 막입니다. 양극과 음극의 직접적인 접촉을 차단하면서, 0.01~1㎛(마이크로미터) …
Source: greatluckim.tistory.com
Date Published: 9/29/2022
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2차전지 분리막 정리(공정, 종류, 조건 등…) – 네이버블로그
현재 리튬이온전지에 적용되는 국산 분리막에는 대부분 폴리올레핀 계열의 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP) 소재를 사용하였다. 폴리올레핀(PO)으로 …
Source: blog.naver.com
Date Published: 8/5/2022
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11. 리튬 이차전지용 분리막 제조 – 한국원자력연구원
식의 분리막 수요도 동반하여 보다 증가될 것으로 전망됨. 업체 현황. – 리튬 이차전지의 소재인 분리막제조 국내 기업의 경우 습식, 건. 식 및 코팅 분리막으로 분류 …
Source: www.kaeri.re.kr
Date Published: 4/24/2022
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KR20180001324A – 이차전지 분리막 제조 방법 및 제조 장치
이차전지 분리막(separator)의 제조 방법 및 제조 장치가 개시된다. 개시된 이차전지 분리막 제조 장치는, 끊김 없이 진행하는 이형 필름의 상측면에 바인더에 무기물 …
Source: patents.google.com
Date Published: 7/19/2021
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[단독]LG화학, 도레이와 ‘이차전지 분리막’ 유럽공장 세운다
Source: www.etnews.com Date Published: 4/15/2022 View: 9745 리튬이차전지 분리막은 양극과 음극 사이에 위치하는 다공성 막으로서, 두 전극 간의 전기적 단락을 방지하고, 이온의 흐름을 가능하게 하는 기능을 갖는다. Source: scienceon.kisti.re.kr Date Published: 9/19/2021 View: 7974 주제와 관련된 더 많은 사진을 참조하십시오 이차전지 배터리 분리막 Separator 산업분석 (SK이노베이션, Asahi kasei). 댓글에서 더 많은 관련 이미지를 보거나 필요한 경우 더 많은 관련 기사를 볼 수 있습니다. 배터리 안전을 책임지는 ‘분리막’ 양극과 음극이 배터리의 성능을 대표하는 소재라면, 분리막은 배터리의 안전성과 관련된 핵심 소재라고 할 수 있습니다. 오늘은 분리막의 특성과 역할이 무엇인지 알아보고, 분리막 관련 기술에 대해 설명해 드리겠습니다. 양극과 음극의 만남을 거부한다!! ‘분리막’ 분리막은 간단히 설명하면 절연 소재의 얇은 막으로, 역할은 크게 4가지 정도로 요약할 수 있습니다. 우선, 이름에서 알 수 있듯이 분리막은 배터리 내부에서 양극과 음극이 접촉하지 않도록 분리하고 있습니다. 두번째로는 분리막에는 우리 눈에는 보이지 않지만 매우 미세한 기공(pore)을 가지고 있어 그 구멍을 통해 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 하는 역할을 하고 있습니다. 세번째로는 배터리 내부 온도가 일정 수준 이상 올라가게 되면, 분리막 표면에 위치한 기공들이 막혀 리튬이온의 이동을 차단해 내부적으로 쇼트 발생을 방지합니다. 마지막으로 분리막은 높은 기계적 강도를 지니고 있어 강한 힘을 받을 때 배터리 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질들을 막아 안전성을 확보하는 역할을 수행합니다. 좋은 분리막은 어떤 조건을 갖춰야 할까? 분리막은 다른 소재들과 달리 배터리의 안전성과 연관되어 있기 때문에 여러 조건들이 갖춰져야 합니다. 우선 분리막으로 사용되려면, 전기화학적으로 안정적이어야하고, 절연성이 뛰어나야 합니다. 양극과 음극의 접촉을 차단해야 하는데 분리막이 리튬이온이나 배터리 내부에 있는 다른 이온들과 반응해 버린다면, 마치 고양이에게 생선을 맡기는 것과 같은 거죠. 또한 리튬이온이 원활하게 분리막 사이를 통과할 수 있도록 분리막 표면에 구멍이 많아야 하며, 그 크기는 균일해야 합니다. 구멍이 별로 없거나 들쭉날쭉하면, 리튬이온이 이동하는데 어려움이 있으니까요. 그리고, 배터리의 온도가 일정 수준을 넘어섰을 때 분리막 자체적으로 기공을 막아(Shut-down) 리튬이온의 이동을 차단해 안전성을 확보할 수 있어야 합니다. 마지막으로, 배터리의 에너지 밀도 향상을 위해서는 두께가 얇아야 더 많은 양의 활물질을 넣을 수 있고, 그러면서도 분리막의 기계적 강도가 우수해야 쉽게 손상되지 않고 배터리의 안전성까지 확보할 수 있습니다. 코팅 기술을 통해 한 단계 진화하는 분리막 분리막의 소재로는 폴리올레핀, 폴리프로필렌 등과 같이 절연 특성이 뛰어난 고분자 소재가 사용됩니다. 이 소재들을 연신하여 미세한 기공을 만드는데 그 방식에 따라 건식과 습식으로 종류를 나눌 수 있습니다. 건식 제조는 단순히 기계적인 힘으로 필름 원단을 당겨 기공을 만드는 방식이고, 습식 제조는 필름에 여러 참가제를 추가해 화학적인 방식으로 기공을 만드는 방식입니다. 건식의 경우, 제조공정은 간단하나 기공 사이즈가 불균일하고, 습식에 비해 기계적 강도도 약합니다. 반면, 습식의 경우는 제조공정이 복잡해 고가지만 균일하게 기공의 사이즈를 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 과거에는 분리막으로 필름 소재 하나만을 사용했지만, 최근에는 분리막의 성능을 강화하기 위해 다양한 소재와 방식으로 코팅하여 사용하고 있습니다. 삼성SDI는 분리막 코팅 기술 내재화를 통해 차별화된 경쟁력을 확보하고 있습니다. 초고내열성 분리막 개발을 통해 배터리 안전성을 확보하고 박막화 기술로 배터리 용량 증가에 일조했습니다. 또한, 배터리의 품질 확보를 위해 접착분리막을 개발하여 사용 중이며, 안전성과 품질을 동시에 확보하기 위한 고내열 접착분리막의 개발은 양산 완성 단계에 있습니다. 지금까지 분리막의 주요 역할과 특징, 개발방향 등에 대해 소개해 드렸습니다. 배터리의 안전성과. 직결되는 소재인 만큼 더욱 꼼꼼하게 검증하고, 안전한 배터리 제조를 위해 힘쓰겠습니다. 반응형 1. 2차 전지 분리막 개요와 시장 분석 2차전지 4대 핵심 소재와 분리막 속 리튬 이온 이동 모습 (출처 : 삼성SDI) 2차전지에 들어가는 소재는 크게 양극재, 음극재, 분리막, 전해액로 구성되며 이를 4대 핵심소재라고 합니다. 이 4대 소재는 2차전지의 에너지용량, 출력, 안정성 등 배터리의 성능에 직접적인 영향을 미치는 요소입니다. 이 중 양극재와 음극재 관련 내용은 아래 포스팅을 참고 부탁드립니다.[논문]리튬이차전지용 분리막 이해 및 최신 연구 동향
주제와 관련된 이미지 이차 전지 분리막
주제에 대한 기사 평가 이차 전지 분리막
[2차 전지 소재] 분리막 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석
2차전지는 양극재와 음극재 간 이온화 경향차로 인해 산화,환원 반응이 발생하고, 이로 인해 리튬 이온이 이동하게되면서 전류를 생성하게 됩니다.
이 중 분리막은 양극과 음극이 직접적으로 접촉하지 않게 분리하는 절연막으로 화재, 폭발 등을 방지하고 이온을 원활하게 이동시켜주는 2차전지 안전성의 핵심 소재 입니다.
분리막은 기본적으로 아주 작은 기공이 있어 그 사이로 리튬 이온이 통과해 양극과 음극으로 이동할 수 있습니다.
만약 배터리 온도가 일정 수준 이상으로 높아지게 되면 분리막의 기공이 막혀 리튬 이온의 이동이 차단되고, 배터리의 쇼트 현상을 방지하게 됩니다.
또한 배터리 내부에 생기는 이물질을 통과하지 못하게 막는 역할도 수행하고 있습니다.
이처럼 분리막은 배터리의 안전성과 수명에 관여하며, 최근 배터리 출력 및 고속 충전에도 관여하는 소재로 주목받고 있습니다.
2차 전지 분리막 (출처 : SKIET)
분리막의 위와 같은 역할과 특성 때문에, 분리막은 절연성과 전기화학적 안정성, 기계적 강도가 뛰어나야하고, 표면의 기공이 많아야 하며, 그 크기가 균일해야 합니다.
또한 두께가 얇을수록 더 많은 양의 양극과 음극 활물질을 넣어 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.
따라서 분리막에는 주로 폴리에틸렌(PE), 폴리올레핀(PO), 폴리프로필렌(PP) 등과 같이 절연 특성이 좋은 고분자 소재가 사용됩니다.
분리막은 공정 방법에 따라 건식 분리막과 습식 분리막으로 구분되며, 습식 분리막의 안정성 더 좋고, 박막화가 우수해 전기차용 배터리에는 습식 분리막 사용이 증가하고 있습니다.
최근에는 습식 분리막의 고온 변형 문제를 해결하기 위해 세라믹을 코팅한 방법이 연구 및 사용되고 있으며, 이후 전고체배터리가 상용화되면, 분리막이 필요 없어지게 됩니다.
분리막 타입별 시장 규모 및 비중 전망 (출처 : IBK투자증권)
분리막은 전기차용 2차전지 소재 원가 비중의 약 16%를 차지하고 있으며, 셀 전체 원가의 약 10%를 차지하고 있습니다.
이는 현재 60kWh 전기차 배터리 기준 1대당 약 56만원 정도의 비용을 차지한다고 합니다.
전기자동차용 2차전지 배터리 원가 구조 (출처 : 삼성증권)
글로벌 분리막 시장은 21년 43억 달러에서 25년 109억 달러, 30년 186억 달러로, 연평균 31% 성장해 21년 대비 약 4배 이상 성장할 것으로 전망하고 있습니다.
특히, 23년부터 수요가 공급을 초과하는 쇼티지 현상이 발생할 것으로 예상되고 있습니다.
다만, 전고체배터리로 대체될 경우 그 비중은 점차 줄어들 것으로 예상됩니다.
2차전지 분리막 시장 전망 및 수급 전망 (출처 : IBK투자증권)
분리막의 주도 국가는 중국, 일본, 한국으로, 중국이 약 53%의 시장점유율을 갖고 있으나 저가 제품, 내수시장을 바탕으로 하고 있으며, 일본(35%)과 한국(12%)이 하이엔드 제품(습식 분리막)을 앞세워 글로벌 시장을 주도하고 있습니다.
특히 최근 배터리 화재 이슈가 자주 발생하면서, 고성능, 고안정성의 분리막 수요가 많아짐에 따라 일본과 한국의 시장 지배력은 더욱 강화될 것으로 전망됩니다.
주요 기업별, 국가별 글로벌 분리막 시장 점유율, 2020년 기준 (출처 : IBK투자증권)
티어 1의 습식 분리막 중에서는 한국의 SKIET(27%), 일본의 Asahi(24%)와 Toray(24%), 세 업체가 과점하고 있으며, 현재 일반 습식 분리막 대비 60%~100%의 가격차이가 나는 것으로 알려져 있습니다.
SKIET 분리막 생산캐파 전망 (출처 : IBK투자증권, SKIET)
국내에서 SKIET 뿐만아니라 LG에너지솔루션, 삼성SDI 등도 분리막 내재화를 위한 사업 진출을 진행하고 있습니다.
LG에너지솔루션은 일본의 Toray와 합작법인(JV) 설립을 논의 했으며, 삼성SDI는 분리막 생산 기업인 더블유스코프(W-Scope)에 지분 투자를 하였습니다.
국내 주요기업의 분리막 관련 사업 현황 (출처 : IBK투자증권)
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2. 분리막 종류와 발전 전망
건식 분리막(좌)와 습식 분리막(우) 구조 (출처 : NICE, 유펙스켐)
분리막은 음극과 양극을 안정적으로 분리하고, 리튬 이온을 잘 통과시켜야하며, 이물질 이동을 차단하고, 온도 증가 시 기공을 막아 이온 이동을 차단해야 합니다.
이에 필요한 특성은 다음과 같습니다.
전기화학적 안정성 (저항성) : 배터리 전해액에 장시간 담겨져도 변형이 되지 않아야 한다.
배터리 전해액에 장시간 담겨져도 변형이 되지 않아야 한다. 유연성 : 금속 전극과 닿았을 때 변형이 되지 않아야 한다.
금속 전극과 닿았을 때 변형이 되지 않아야 한다. 강도 : 조립 과정과 롤링 과정에서의 압력에 견딜 수 있어야 한다.
조립 과정과 롤링 과정에서의 압력에 견딜 수 있어야 한다. 통기성과 투공성 : 리튬 이온을 원활하게 통과시킬 수 있어야 한다.
리튬 이온을 원활하게 통과시킬 수 있어야 한다. 연신률 : 극박으로 만들 수 있어야 한다.
극박으로 만들 수 있어야 한다. 젖음성 : 천해액이 분리막 표면에 충분히 젖을 수 있어야 이온전도도가 향상됨.
천해액이 분리막 표면에 충분히 젖을 수 있어야 이온전도도가 향상됨. 내열성 : 특정 온도(130~150℃) 이상의 열환경에서 용융하여 기공 폐쇄.
분리막의 물리적 인자 및 전기화학적 특성의 상관관계 (출처 : 이베스트투자증권 리서치센터)
분리막은 주로 위 특성들을 만족하는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)와 같은 미세다공성 고분자필름으로 제조하며, 제조 공정 방법에 따라 건식막과 습식막으로 나뉩니다.
분리막 주요 물성치 기준(좌)과 건식 및 습식 분리막 특성 비교(우) (출처 : 이베스트투자증권, IBK투자증권)
건식 분리막은 기계적인 힘으로 필름을 늘린 후 열처리하여 기공을 만드는 방식으로, 제조 방식이 쉽고 저렴하며, 내열성이 뛰어나고, 기공이 직선 형상이라 리튬이온의 고속 출력이 가능합니다.
하지만 기공의 크기가 균일하지 않고, 기계적 강도가 약하며, 박막화가 어렵습니다.
습식 분리막은 필름에 첨가제를 추가해 화학적 상분리를 통해 기공을 만들고 열처리 하여 제조 합니다.
화학적으로 제조하기 때문에 얇게 만들 수 있으며, 기공 크기의 균일성이 높고, 그물형으로 분포하여 기계적 강도가 높습니다.
반면, 기공이 불규칙하게 분포하기 때문에 이온의 흐름이 어려우며, 내열특성이 취약하고, 제조 단가가 비쌉니다.
분리막 종류별 제조 공정도 (출처 : NICE)
최근에는 습식 분리막의 내열성 향상을 위해 LG화학에서 개발한 세라믹 코팅 분리막(SRS)과 SKIET의 세라믹 코팅 분리막(CCS)을 차세대 분리막으로 사용하고 있습니다.
세라믹 코팅에 사용되는 세라믹 재료로는 알루미나, 보헤마이트 등이 있습니다.
다만, 코팅을 하게 되면 공정 단가가 상승하고, 기공이 차단되어 통기성이 저하된다는 단점이 있습니다.
따라서 필요한 통기성, 연신율을 만족하고, 공정에서 발생하는 이물을 줄이는 고난도 코팅 기술이 필요합니다.
세라믹 코팅 분리막 (출처 : 이베스트투자증권 리서치센터)
국내 에너에버배터리솔루션의 분리막 기술 개발 로드맵 (출처 : 이베스트투자증권 리서치센터)
내열성이 우수하고 가격이 저렴한 건식 분리막은 주로 ESS나 전기 버스 등의 배터리에 사용되고 있으며, 박막화가 쉽고 안정성이 높은 습식 분리막은 고성능 전기차 배터리에 주로 사용되고 있습니다.
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리튬이온 배터리 기초 5. 분리막이란?
분리막 기본
분리막은 전기가 통하지 않는 절연 소재의 얇은 막입니다. 양극과 음극의 직접적인 접촉을 차단하면서, 0.01~1㎛(마이크로미터)의 미세한 구멍으로 리튬이온만 통과시켜 전류를 발생시키는 역할을 하는 필름입니다. 주로 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP) 등으로 만듭니다.
양극과 음극이 직접 만나 발생할 수 있는 쇼트를 방지하고, 미세 기공을 통해서 리튬이온은 전해질을 타고 이동합니다. 이 때 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하면 충전, 음극에서 양극으로 이동하면 방전을 하며 외부 기기에 전기를 공급합니다. 또한, 배터리 셀의 온도가 적정 수준 이상으로 고온이 되면 미세기공이 차단돼 내부 쇼트를 방지해 주고, 높은 기계적 강도를 가지고 있어 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질들을 막아 안전성을 확보하는 역할을 합니다.
양극과 음극은 서로 닿았을 때 리튬이온의 움직임이 기하급수적으로 늘면서 폭발 위험이 큽니다. 반대로, 양극과 음극의 분리에만 신경 쓰면 리튬이온까지 이동이 안되어 배터리의 효율성이 크게 떨어집니다. 양극과 음극이 서로 닿지 않으면서 리튬이온만 잘 지나다니도록 하는 것이 분리막의 핵심 기술입니다.
정리해보자면, 분리막은 1) 배터리 셀 내부에 있는 여러 종류의 이온들과 반응하지 않아야 한다. 2) 전기화학적으로 안정적이어야 한다. 3) 절연 특성이 뛰어나야 한다. 4) 두께와 강도가 얇고, 우수해야 합니다.
분리막의 스펙을 조금 더 구체적으로 이야기하면, Layer 층 수, 셀 내부 온도를 견디는가, 통기도, 구멍의 크기(Pore Size), 화학적 저항성(전해액에 변형이 있는가), 배터리가 조립될 때 파괴되면 안 됨, 롤링에 의한 압력이 많이 가해지면 안 됨 등 다양한 조건을 만족해야 합니다. 이러한 조건을 가지는 분리막의 종류는 건식막, 습식막, 코팅 강화막이 있습니다.
분리막은 제조 방식과 원재료 따라 크게 크게 건식과 습식으로 나뉩니다. 습식 제조 방식은 고분자 PE를 기본 원재료로 압출과 화학처리를 거쳐 필름의 양면에 기공(Pore)을 형성시키는 단층필름 형태로 만듭니다. 고분자 소재와 저분자량의 왁스를 혼합해 고온에서 필름을 압출한 뒤, 용매(솔벤트)를 사용해서 왁스를 추출해 미세다공 구조를 형상하는 방식입니다. 습식은 위 표에 보이는 조건을 충족해야 합니다.
습식 공정은 고가의 제조 방법이지만 일반적으로 더 강력하고 얇은 분리기를 생산합니다. 폴리에틸렌(PE)은 일반적으로 사용되는 폴리머로, 다른 첨가제 왁스와 혼합되어 균질한 용액을 만들어 얇은 겔형 시트로 압출한 후 어닐링(느리게 냉각)합니다. 시트는 두 방향으로 신장되고 휘발성 용매에 노출되어 다공정 시트를 떠나는 첨가제 왁스를 제거합니다. 이 방법을 사용하여 40~50%의 다공성을 달성할 수 있습니다.
이 방식은 초기 투자비용이 많고 유해물질이 발생한다는 단점이 있지만, 제작이 간편하고 기공이 균일하다는 장점이 있어 주로 휴대폰이나 노트북 등 소형 모바일용 배터리에 주로 쓰입니다.
건식 제조 방법의 경우 PP와 PE를 2~3층 필름으로 접합하는 다층 구주로 왁스를 사용하지 않고 물리적인 연신(늘리는 공정)과 열처리 공정만으로 기공을 만듭니다. 습식과 비교하면 초기투자비용이 덜 들고 유해물질이 나오지 않아 친환경적이지만, 균일한 기공을 내는 기술장벽이 높아 제대로 성능을 낼 만큼 만드는 것이 쉽지 않습니다. 이 건식 분리막은 전기자동차용 배터리 등 중·대형에 쓰입니다.
건식 공정은 보다 저렴하고 간단한 제조 방법입니다. 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 중합체는 얇은 시트로 압출됩니다. 이 전구체 필름은 결정 구조를 개선하기 위해 어닐링(느리게 냉각)됩니다. 이어서 필름은 차가울 때 단일 방향으로 연신되고, 뜨거울 때 다시 연신됩니다. 콜드 스트레치는 기공 구조를 생성하고 핫 스트레치는 기공 크기를 증가시킵니다. 이 방법을 사용하여 35~45%의 다공성을 달성할 수 있습니다. 이 공정으로 3층의 PP / PE / PP 분리막도 생성할 수 있습니다.
출처 – 신소재경제
이차전지 배터리는 계속 전기를 주고받아야 하는 특성상 발생하는 운동에너지로 인해 쉽게 열이 날 수 있는데, 분리막이 이 열에 취약하다는 점입니다. PE 분리막은 약 130℃ 근처에서 용융하기(녹기) 시작해 기공이 폐쇄되는 ‘셧다운’ 특성이 있습니다. 또 150℃ 이상에서는 완전히 용융해 내부 단락을 막지 못하고 붕괴하는 상태(meltdown 또는 mechanical integrity 파괴)에 이릅니다.
최근 주목받는 기술은 코팅방식 입니다. 코팅은 세라믹으로 하는 것, 폴리머로 하는 것, 컴바인으로 하는 3가지 종류가 있습니다. LG화학은 분리막 표면에 세라믹 입자와 고분자 바인더를 코팅하는 ‘Dip’ 코팅 방식을 적용한 분리막을 리튬이온 이차전지 배터리에 적용했습니다. LG화학의 SRS 기술의 경우 나노 세라믹 코팅을 적용해 배터리의 내구성과 내열성을 강화하고 이온이 잘 통하는 다공성 폴리올레핀(PO) 소재로 배터리 내부의 전기적 단락을 감소시켜 줍니다. 이 기술은 특히 안전 문제가 중요한 전기차용 배터리에서의 경쟁력에 큰 영향을 줍니다.
LG화학의 경우 자체 생산은 하지 않고, 일본 도레이에 의뢰해 생산하고 있습니다.
또한, 향후 사용되는 분리막으로 다층 구조에 세라믹 코팅 분리막을 적용할 것입니다. 박막화, 고투과, 고강도, 고내열성으로 개발하고 있습니다. 두께는 현재 10㎛까지 줄였습니다. 세라믹 코팅은 안전성과 내열성이 높고, 기공이 막히거나 출력이 저하되는 단점을 제거하여 수명이 늘어나게 됩니다. 전기차용 각형 전지에는 2019년부터 적용되고 있습니다. 하지만, 이러한 코팅 방식은 단가가 습식과 건식에 비해 높습니다. 배터리 업계의 최대 관심사 중 하나는 단가로, 이 문제를 해결된다면 분리막은 코팅방식으로 변화할 것입니다.
출처 – 한국에너지신문
현재 중대형 전지 원가 구조는 재료비 65%, 감가비 17%, 연구개발비 6%, 인건비 5%, 간접비 4%, 판관비 3% 등으로 이루어져 있습니다. 65% 중 분리막은 약 14 ~ 16%를 차지합니다. 그렇기에 현재까지도 핵심 재료의 원가를 낮추기 위해 노력하고 있는 상황입니다. 이런 상황에서 단가가 높은 코팅방식을 적용하기에는 어려움이 있는 상황입니다.
분리막 시장 현황
2013년 자료로 굉장히 옛날 자료입니다. 하지만 세계 분리막 시장은 여전히 비슷합니다. 최근 시장도 Entek, 아사히카세이(셀가드는 아사히에 합병됐습니다), SK이노베이션, 도레이가 메이저 기업입니다.
분리막 점유율 순서로 보자면 아사히카세히, 도레이, SK이노베이션가 있습니다. 아직 점유율을 독식하는 승자가 결정되지는 않았습니다. 전기차 배터리 시장이 이제 시작되고 있으니 추가 시장 점유율은 달라질 것입니다.
분리막은 자동차 내연, 납축전지에도 사용됩니다. 납축전지 분리막 사용은 자동차, 골프카, 지게차, UPS에 쓰입니다. 납축전지 시장이 리튬이온으로 대체되고 있지만, 납축전지 시장이 여전히 큽니다. 따라서, 분리막 시장은 굉장히 넓은 범위로 공급하고 있습니다.
SK이노베이션은 배터리 사업이 언제 흑자를 전환할지 알 수 없습니다. 후발주자로 꾸준히 투자하고 있는 상황입니다. 그렇기에 분리막 사업이 중요합니다. SK이노베이션은 분리막 사업에 꾸준히 투자하며 생산능력을 확보하기 위해 노력하고 있는 상황입니다.
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감사합니다.
2차전지 분리막 정리(공정, 종류, 조건 등…)
– 분리막 사업
원단분리막과 코팅분리막으로 구분한다.
원단 분리막은 폴리올레핀(올레핀의 중합으로 생기는 가볍고 투명성이 우수한 고분자화합물)의 막을 걷어낸 후 연신(가열상태에서 잡아당겨 배향)하여 필름을 제조합니다. 용매 추출공정의 유/무에 따라 습식과 건식으로 구분됩니다.
코팅 분리막은 내열도를 향상시켜 전지안전성을 높이기 위해 원단에 코팅처리를 한 제품인데요. 코팅층의 위치에 따라 단면코팅, 양면 코팅으로 구분되며 세라믹의 유/무에 따라 유/무기, 유기 코팅으로 구분됩니다.
-분리막의 소재
현재 리튬이온전지에 적용되는 국산 분리막에는 대부분 폴리올레핀 계열의 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP) 소재를 사용하였다.
폴리올레핀(PO)으로 만든 분리막은 내열 특성과 기계적 강도가 취약하여 전지 안전성에 큰 저해요인이며, 이를 해결하기 위해 국내에서는 폴리올레핀 분리막 위에 산화물을 코팅하는 기술을 개발하여 중대형 전지를 중심으로 사용하기 시작하였다.
다공성 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 필름인 분리막은 제조공정에 따라 습식과 건식으로 구분(습식 70%, 건식 30%의 시장점유)되며, 표면에 무기물을 코팅하여 안정성을 향상시킨 강화막이 개발되었다.
습식막은 분리막의 성형 과정에서 첨가한 가소제를 유기용매로 추출할 때 발생한 기공을 연신하여 확장한 것으로 강도, 탄성 및 두께, 기공균일도 등이 우수하고, 건식막은 압출 필름을 저온에서 연신하여 결정계면에서 미세 균열을 발생시키는 방식으로 PP/PE/PP의 삼층 구조로 저가격, 고출력용에 사용된다. 강화막은 폴리올레핀 수지의 기계적, 열적 특성을 보완하고자 다공성 고분자막의 표면에 세라믹 입자층을 형성시켜 고온에서도 분리막의 기계적 수축을 방지하는 역할을 한다.
- 분리막의 종류(첨부파일 참조)
1. 미세다공성고분자 멤브레인
2. 부직포형 메트
3. 무기질 합성 멤브레인
– 분리막의 제조방식
분리막은 제조 방식에 따라 습식과 건식으로 나뉜다.
습식은 폴리머 소재와 용제를 섞어 고온에서 용해해 필름으로 만든 후 다시 용매를 이용해 용제를 제거하는 방식으로 필름에 기공을 형성시킨다. 건식은 폴리머만을 녹여서 필름으로 만들고 연신(늘리는, 가열상태에서 잡아당겨 배향) 공정을 통해 구멍을 만든다.
– 습식과 건식의 장단점
# 습식
▶ 고밀도 폴리에틸렌이 유전율이 높아 주로 사용된다.
▶ 세계 분리막 시장에서 70% 이상 비중을 차지한다.
▶ 습식분리막은 화학적 상분리에 의해서 구멍이 형성되어서 구멍의 크기가 균일하다.
▶ 구멍이 불규칙적으로 분포하여서 기계적 강도가 높다.
▶ 구멍이 불규칙하게 분포하여 분리특성은 좋으나, 이온 통과경로가 복잡하다.(낮은 기공도, 저출력)
▶ 용제에 의해서 폴리머의 결정구조가 불균질하여서 열적 안정성이 떨어진다.
▶ 습식분리막은 정량출력 및 장시간 배터리 성능을 유지해야 하는 전기기기에 유리하다.
▶ 초기투자비용이 많고 유해물질이 발생한다.
▶ 제작이 간편하다.
▶ 건식에 비해 품질이 좋다.
장점: 기계적강도가 높다, 균질한 구멍, 공정안정성, 분리특성이 좋다, 제작이 간편, 높은 품질;
단점: 높은공정비용(초기투자비용), 낮은 기공도(저출력), 열적 안정성이 떨어진다, 유해물질 발생
사용: 정량출력 및 장시간 배터리 성능을 유지해야 하는 전자기기(휴대폰이나 노트북용 소형배터리)
회사: 아사히카세이(일본), SK이노베이션(한국), TORAY(일본)
# 건식
▶ 초기투자비용이 적고, 유해물질이 나오지 않아 친환경적이다.
▶ 건식분리막은 기계적인 인장으로 구멍을 형성하여서 구멍이 일관성있게 형성되어(기공분포가 직선적) 분리막을 통과하는 이온의 흐름이 빠르다.
▶ 폴리머가 결정구조를 유지하고 있기 때문에 열적안정성이 우수하다.
▶ 구멍의 형성이 기계적인 힘에 의해서 이루어지며, 이를 제어하기가 어렵다.
▶ 건식분리막은 고속출력 및 내열성능이 필요한 전기차에 유리하다.
장점: 고온안정도, 높은 기공도, 낮은공정비용(초기투자비용), 친환경적
단점: 기계적강도가 낮다, 공정이 어렵다, 균질한 구멍을 내기가 어렵다.(기술적 요인)
사용: 고속출력 및 내열성능이 필요한 전기차 등…
회사: 셀가드(미국, 아사히카세이회사에서 인수), 우베(일본)
1. 절연성이 좋아야 한다.2. 이온 전도시 저항을 최소화하기 위해 전해액과의 친화력이 높아야 한다.3. 이온의 흐름을 원활히 하기위해서 다공성도 높고 얇아야 한다.
3-1. 배터리 에너지 밀도에 영향을 주게 하지 않기 위해 얇아야 한다.
4. 안정성을 보장받기 위해서 일정 수준의 기계적 강도도 유지해야 한다.
5. 전해액에 대한 화학적 안정성과 전기 화학적인 안정성이 확보되어야 한다.
6. 일정한 온도 이상이 될 때, Shut-down이 되어 이온의 이동을 차단할 수 있어야 한다.(화학 조리개 기능)
6-1. 열적 안정성이 높아야 한다.
– 분리막 동향(2011~2012년 자료로 구성, 2016년 자료로 구성)
2011~2012년 자료
2011년 분리막 수요는 전년 대비 26% 증가하였으며, 아사히 카세이, 폴리포어(前 Celgard), 토레이 토넨이 전체 수요의 70%를 공급하고 있다. 2010년 일본의 3대 업체(아사히 카세이,폴리포어, 토레이 토넨)가 분리막 전체의 70%를 공급하고 있으나, 우베, SK Entek 등 2위권 업체들의 시장점유율이 빠르게 확대되고 있고, BenQ, Wuhu chery engineering 등 대만 및 중국 업체들이 새롭게 분리막 시장에 진입하고 있다.
2016년 자료
리튬 이온 2차전지 분리막 시장은 일본의 Asahi Kasei 가 전통적 강세를 보이고 있으며, 작년 M/S 5위권이었던 셀가드(폴리포르) 인수로 인해 그 영향력이 강화될 것으로 전망 된다. 뒤를 이어 한국의 SK.이노베이션, 일본의 Toray, Ube, Sumitomo 등이 뒤따르고 있고, 중국 배터리 시장이 커짐에 따라 중국 분리막 회사들의 M/S 상승도 눈에 띄고 있다.
전세계 분리막 시장은 한중일 3국이 시장을 주도하고 있으며, 일본 업체들은 앞선 기술력과 특허 우위를 바탕으로 중국의 저가 물량 공세에 대응하고 있다. 한국은 SK이노베이션, W-scope(외투기업) 등이 선전하고 있으며, 이들 분리막 시장 리딩 업체들은 저마다 생산캐파 증설을 통해 시장 수요 증가에 대비하고 있다.
리튬 이차전지에서 분리막 소재는 크게 습식/건식 방식으로 분류되고 있으며, 그동안 Asahi Kasei, Toray, SK Innovation 등이 습식 방식을 주로 채택해 왔고, Celgard, Ube 등은 건식 방식을 주로 채택하여 왔다. 그 동안은 IT용 소형기기용 분리막 시장에 습식 방식의 분리막이 많이 사용되었으며, 건식법에 의한 분리막의 경우 상대적으로 습식보다 내열 특성이 좋아 최근 많은 이차전지 업체에서 자동차용 이차전지 분리막으로 검토 중이어서 수요가 증가할 것으로 전망된다. 더불어 분리막 소재 종류도 기존 PE, PP 중심에서 안전성이 더욱 중요시되는 전기차용 배터리에 유/무기/폴리머 코팅 분리막, 복합 분리막을 적용하는 업계 수요가 크게 증가가 될 것으로 전망 된다.
KR20180001324A – 이차전지 분리막 제조 방법 및 제조 장치 – Google Patents
C — CHEMISTRY; METALLURGY
C08 — ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
C08J — WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
C08J2327/00 — Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers
C08J2327/02 — Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
C08J2327/12 — Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
[단독]LG화학, 도레이와 ‘이차전지 분리막’ 유럽공장 세운다
LG화학과 일본 도레이가 이차전지 핵심 소재의 하나인 분리막 합작사를 설립한다. LG화학은 지난 14일 세계 1위 종합 전지 소재 회사가 되기 위해 전지 소재에 6조원을 투자하겠다고 밝힌 바 있다. 이때 분리막 사업 핵심 파트너로 도레이를 지목한 것으로 알려졌다. 도레이는 세계 3대 습식 분리막 업체다. 양사 합작으로 분리막 시장의 판도 변화가 일지 주목된다.
15일 업계에 따르면 LG화학은 도레이와 합작, 유럽에 분리막 합작공장 설립을 추진하고 있다. 투자금과 지분, 생산 규모 등 자세한 내용은 아직 확정되지 않았지만 양사는 합작사 설립에 합의하고 세부 방안을 협의하고 있는 것으로 파악됐다.
이 사안에 밝은 복수의 업계 관계자들은 “양사가 동유럽에 습식 분리막 공장을 건설하기로 큰 틀에서 합의한 상태로 안다”고 전했다.
분리막은 양극재, 음극재, 전해액과 함께 이차전지를 구성하는 4대 핵심 소재로 꼽힌다. 배터리 내부에서 양극 활물질과 음극 활물질의 물리적 접촉을 막아 단락을 방지하는 동시에 이온이 오가는 통로 역할을 담당한다. 특히 분리막은 손상 시 배터리 화재 발생으로 이어질 가능성이 있어 안전과 직결되는 소재다.
LG화학은 배터리 소재 신사업 발굴 및 자회사인 LG에너지솔루션에 안정적으로 분리막을 공급하기 위해 도레이와의 합작사 설립을 추진하는 것으로 풀이된다. LG화학은 양극재, 음극재 부가재료를 내재화했지만 분리막은 과거 추진했다가 철수했다. 회사는 2015년 충북 청주시 오창에 있던 분리막 관련 제조 설비를 도레이에 매각했다. 시장이 크지 않았고, 자체 제조 경쟁력이 높지 않았기 때문이다.
그러나 전기차 시장이 본격 확대되면서 LG화학은 전략을 선회한 것으로 보인다. 오는 2023년 배터리 공급 부족이 예상될 정도로 전기차 수요가 폭증함에 따라 핵심 소재 확보의 필요성이 커졌고, 이를 신사업 기회로 활용하기 위해 분리막 사업에 다시 진출하려는 것으로 풀이된다.
실제 LG화학은 분리막 사업 진출을 위한 큰 그림을 그리고 있다. 회사는 오는 29일 이사회를 열고 LG전자 비즈니스솔루션(BS)사업본부 CEM(화학·소재)사업부에 있는 분리막 사업 인수를 의결할 것으로 알려졌다. 분리막 안정성을 강화할 수 있는 코팅 기술을 확보하려는 목적이다. LG화학이 도레이와 합작사를 만들면 도레이 분리막 원단에 코팅을 더한 제품을 배터리 업체에 공급하는 사업을 전개할 것으로 예상된다.
도레이는 세계 3대 습식 분리막 업체다. 분리막은 크게 건식과 습식으로 나뉜다. 건식은 주로 리튬인산철(LFP) 배터리에 사용되고 습식은 니켈 배터리에 적용된다. SK이노베이션 자회사인 SK아이이테크놀로지와 도레이, 아사히카세이가 글로벌 3강 체제를 형성하고 있다. 도레이는 전기차 배터리 시장에서 급성장하고 있는 LG에너지솔루션을 겨냥, LG화학과 손을 잡는 것으로 풀이된다. 유럽이 첫 합작사로 거론되는 것도 LG화학 자회사인 LG에너지솔루션이 유럽 전진 기지로 폴란드에 전기차 배터리 생산 공장을 두고 있기 때문이다.
익명을 요구한 분리막 업체 대표는 “전기차 시장 확대로 일본과 중국이 손을 잡는 등 분리막 업계에도 합종연횡이 본격화하고 있다”면서 “시장 변화에 따라 LG화학이 도레이와 전략적으로 손잡고 습식 분리막 사업을 추진하는 것으로도 해석된다”고 풀이했다.
LG화학과 도레이 협력이 알려진 건 이번이 처음이다.
LG화학 관계자는 도레이와 분리막 합작공장 건설에 대해 “사업 경쟁력 강화를 위한 다양한 방안을 모색하고 있지만 확정된 내용은 없다”고 밝혔다.
한편 신학철 LG화학 부회장은 지난 14일 세계 1위 종합 전지 소재 회사로 성장한다는 목표를 실현하기 위해 양극재, 분리막 등 전지 소재 부문에 6조원을 투자하기로 했다고 밝혔다. 또 양극재의 재료가 되는 메탈 수급을 위해 광산업체와 합작사 설립을 준비 중이며, 분리막 사업은 기술력과 시장성을 모두 갖춘 기업을 대상으로 인수합병(M&A) 또는 합작사 설립 등을 검토하고 있다고 밝혔는데, 그 윤곽이 드러난 셈이다. 또 도레이뿐만 아니라 앞으로 더 많은 협력 사례들이 나타날 것으로 예상된다. 신 부회장은 사업 포트폴리오 전환을 위해 M&A, 합작사 등 30여 건의 프로젝트를 검토하고 있다고 밝혔다.
김지웅기자 [email protected], 윤건일기자 [email protected]
[논문]리튬이차전지용 분리막 이해 및 최신 연구 동향
초록
향후 우리 사회의 혁신적 변화를 가져올 휴대용 전자기기, 전기자동차 및 스마트 그리드 에너지 저장장치 등의 비약적인 발전에 따라, 그 전원으로서 리튬이차전지에 대한 관심이 더욱 증대하고 있다. 본 총설에서는, 리튬이차전지 핵심 소재 중 하나인 분리막에 대해 기공 구조 및 물리화학적 물성 관점에서 고찰하고, 이와 함께 최신 연구 동향을 소개하고자 한다. 리튬이차전지 분리막은 양극과 음극 사이에 위치하는 다공성 막으로서, 두 전극 간의 전기적 단락을 방지하고, 이온의 흐름을 가능하게 하는 기능을 갖는다. 분리막 자체는 전지 내 전기화학 반응에는 직접적으로 참여하지 않으나, 앞서 언급한 기능들에 의해 전지 성능 및 안전성에 큰 영향을 끼친다. 최근 들어, 이러한 분리막의 기본 특성 이외에, 전지 안전성 강화 및 금속 이온 흡착 등을 비롯한 다양한 기능 부여를 위한 노력들이 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 현재 상업화된 폴리올레핀 분리막에 대한 이해를 토대로, 개질 폴리올레핀 분리막, 부직포 분리막, 세라믹 복합 분리막 및 화학 활성 분리막 등으로 대표되는 최신 분리막 기술들을, 차세대 전지 개발 방향과 관련 지어 기술하고자 한다.
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