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배터리 내부에 분리막을 어떻게 넣나요

안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.분리막 작업은 사람이 하기 어렵고, 자동화된 기계나 로봇이 진행합니다. 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.

학문 / 기계공학

23.06.13

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