세퍼레이터

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 극한 조건에서 리튬이온전지용 PE 분리막 열화 거동 분석

영문 : Analysis of the Degradation of PE Separators for Lithium-ion Batteries under Extreme Conditions

과제 팀명

세퍼레이터

지도교수

정철수 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 윤*환(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 최*수

서울시립대학교 화학공학과 20193400** 정*정

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 담수, 염도, 산성, 온도의 조건에 분리막을 노출시켜 열화
◇ FT-IR, UTM, FE-SEM으로 분리막의 열화 정도 측정
◇ 열화 메커니즘 규명 및 해결방안 모색

개발 과제의 배경

◇ 리튬이온전지는 양극, 음극, 전해질, 분리막의 4가지 구성성분으로 이루어져 있음. 이 중 분리막은 양극과 음극의 접촉에 의한 쇼트를 방지하면서 서브마이크론 크기의 기공을 통해 리튬 이온이 통과할 수 있도록 함.
◇ 전지의 노후화 혹은 외부 조건으로 인해 분리막이 손상되면 내부 쇼트가 발생하여 화재 및 폭발 사고가 발생할 수 있음.
◇ 뿐만 아니라, 현재 다양한 조건에서 장기간 사용이 필요한 EV 및 ESS용 리튬이온전지에 대한 수요가 급증하는 상황임.
◇ 본 연구를 통해 차후 안전한 분리막 개발의 방향성을 모색하고 소비자들에게 화재 및 폭발 사고의 불안감을 해소시킬 수 있음.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 개발 과제의 목적은 극한 조건에서 노출되는 분리막의 열화 메커니즘을 파악하여 리튬이온전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 방안에 대해 고찰하고자 함.
◇ 담수, 염도, 산성, 온도의 다양한 극한 조건에 방치한 후 셀을 분해하여 열화된 분리막을 분석 장비들을 통해 열화 정도와 메커니즘을 파악함.
◇ 실험 시 각 조건별로 방치 1일, 3일, 7일의 시간을 두어 어떠한 조건이 얼마만큼의 시간에 노출되었을 때 리튬이온전지에 치명적일지 분석함.
◇ 추가적으로 가장 치명적인 조건을 확인한 후 해당 조건에 강하게 견딜 수 있는 분리막을 개발하는 방법에 대해 토의하고자 함.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 분리막의 안전성을 높이기 위해 베어 필름에 코팅을 하여 내구성이나 내열성을 높이는 방향으로 개발되고 있음.

◇ 아라미드 분리막은 분리막 단면에 아라미드 액을 코팅함으로써 제조함. 폴리올레핀 분리막의 미세 다공막을 이용하여 리튬이온 전도성을 확보함과 동시에 이상고온시에도 절연 성능을 유지할 수 있도록 아라미드는 코팅함.

◇ SRS(Safety reinforced separator, 안전성 강화 분리막)은 분리막 표면에 세라믹 입자와 고분자 바인더를 코팅하는 기술로 제조할 수 있음. 기존 폴리올레핀 분리막은 130℃ 이상의 고온에서는 내구도가 떨어지지만, SRS는 분리막이 용융하여도 세라믹 층이 양극과 음극의 접촉을 방해하여 전지 내부 쇼트를 방지하는 기능이 있어 200℃의 고온에도 버틸 수 있는 특징이 있음. 결과적으로 높은 에너지 밀도와 출력을 가진 하이니켈 배터리에 적용했을 때도 안전하고 높은 성능을 유지할 수 있음.

◇ 분리막의 주류는 앞선 폴리올레핀계이지만 높은 고온에서는 용융된다는 문제점이 있음. 따라서 열 안정성이 우수한 엔지니어링 플라스틱계 분리막 개발이 되고 있음. 하지만 이러한 고분자 재료는 고가로 비용저감의 문제가 있어 실용화에는 이르지 못하는 상황임. 그러나 전지 대형화에 따라 안정성이 한층 중요하게 된다면 고가 분리막 역시 사용될 가능성이 존재함.

◇ 현재 분리막 소재시장은 두께 박리화가 쉬운 습식 분리막의 사용이 시장 전반을 주도하고 있지만 내열성이 우수하고 저렴한 가격의 건식 분리막 역시 ESS 및 전기버스, 전기자전거 등 동력 전지용으로 활용되고 있음.

• 특허조사

◇ 고강도 아라미드 섬유층을 지닌 분리막 및 이를 이용한 이차전지 (SEPARATOR HAVING ARAMID FIBROUS LAYER WITH HIGH STRENGTH AND SECONDARY BATTERY HAVING THE SAME) : 내열성 및 내구성을 가지며 폐쇄기능(SHUTDOWN FUNCTION)을 지니면서도 우수한 이온 투과성을 구비하며, 충방전 특성이 우수하고 전극과의 접착성이 우수한 고강도 아라미드 섬유층을 지닌 분리막 및 이를 이용한 이차전지 제공.

◇ 이차 전지용 내열성 분리막 및 이를 이용한 이차 전지와 그의 제조방법 (Separator with heat resistance, rechargeable battery using the same and method of manufacturing the same) : 내열성 다공성 고분자 웹층과 무기공 고분자 필름층을 구비하여 전지의 과열이 발생할지라도 고분자 웹에 함유된 무기물 입자와 내열성 고분자에 의해 양극과 음극 사이의 단락을 방지하여 안정성 향상을 도모할 수 있는 이차 전지용 내열성 분리막 및 이를 이용한 이차 전지와 그의 제조방법.

◇ 리튬 이차전지용 고내열성 복합체 세퍼레이터 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 (A complex separator with excellent heat resistance for lithium secondary batteries and Lithium secondary batteries comprising the same) : 다수의 기공을 갖는 다공성 기재의 한쪽 면에 코팅되어 있으며, 다수의 무기물 입자 및 무기물 입자 표면의 일부 또는 전부에 위치하여 무기물 입자 사이를 연결 및 고정시키는 바인더 고분자를 포함하는 무기물 코팅층 및 다공성 기재의 반대쪽 면에 형성되어 있으며 고내열성 고분자 및 고내열성 고분자에 분산된 무기물 입자를 포함하는 고내열성 고분자 코팅층을 포함하는 고내열성 복합체 분리막 제시.

◇ 셧다운 기능을 갖는 복합 다공성 분리막 및 그 제조방법과 이를 이용한 이차전지 (Complex fibrous separator having shutdown function, manufacturing method thereof and secondary battery using the same) : 셧다운 기능을 갖는 복합 다공성 분리막 및 그 제조방법과 이를 이용한 이차전지에 관한 것으로, 특히 지지체로 사용되는 다공성 기재의 공극률을 이에 적층되는 다공성 고분자 웹 층의 공극률과 동일하거나 유사하게 설정함에 의해 복합 다공성 분리막의 이온이동도 특성을 향상시킬 수 있고 다공성 기재에 의해 셧다운 기능을 갖는 복합 다공성 분리막 및 그의 제조방법.

• 특허 전략 분석

◇ 최근 분리막 시장은 세라믹 코팅을 통한 내구성, 내열성 향상 분리막이 주를 이루고 있음. 본 연구는 극한 조건에서의 분리막 열화 메커니즘을 확인하고 분석하기 때문에 코팅에 중점을 두는 것이 아닌 전해질이나 전지 내에서 일어나는 반응을 조절하는 것에 초점을 맞춰 기술 개발 예정. 

◇ 전지 내부 쇼트를 유발하는 분리막 열화에 가장 치명적일 것으로 예상되는 고온 조건에서 기존 대비 열 안정성이 뛰어난 분리막 제조를 제시하는 것이 목적임.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 어떠한 조건이 분리막에 가장 치명적인지 분석하여 차후 새로운 분리막을 개발할 때 해당 조건에 잘 견딜 수 있는 연구를 진행할 수 있음.
◇ 일상생활에서 발생하는 극한 조건을 미리 실험함으로써 기술 사용자들에게 쇼트가 일어날 수 있는 상황에 대한 대처 매뉴얼을 제공할 수 있음.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 안전한 분리막, 나아가 안전한 리튬이온전지를 개발함으로써 기업의 대규모 리콜 사태 등의 비용을 감소시킬 수 있음.
◇ EV, ESS용 리튬이온전지뿐만 아니라 모든 전자기기의 전지에 더욱 안전한 분리막을 사용함으로써 소비자들에게 폭발, 화재 사고의 위험이 줄어들 수 있음.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

폐리튬이온전지 해체 및 pouch cell 재조립

극한 조건 용액 제조 및 cell 노출

cell 해체 후 separator washing

UTM, FT-IR, FE-SEM, EDS 분석

Separator의 변형 정도 및 원인 토의

구성원 및 추진체계

◇ 구성원 : 윤지환, 최인수, 정우정
◇ 폐리튬이온전지 해체 및 separator 회수 후 pouch cell 재조립
◇ 극한 조건 노출 후 해체하여 separator 회수 후 washing
◇ 여러 분석 장비를 활용하여 separator 분석

결과 및 평가

포스터

완료작품의 평가 항목

1. Tensile strength 2. Young’s Modulus 3. Pore 균일도 4. 이물질 흡착정도

향후계획

◇ 증류수, 고온의 노출이  분리막에 가장 치명적인 변수임을 확인하였으므로 차후 새로운 분리막을 개발할 때 해당 조건에 잘 견딜 수 있는 연구를 진행할 수 있음.
◇ 일상생활에서 발생하는 극한 조건을 미리 실험함으로써 기술 사용자들에게 쇼트가 일어날 수 있는 상황에 대한 대처 매뉴얼을 제공할 수 있음.
◇ 전기자동차, ESS에 대한 수요가 급증하고 있는 시점이기 때문에 리튬이온배터리의 안전성을 확보하는 것은 중요.
◇ 안전성의 원인 중 하나로 여겨지는 분리막의 열화에 대한 연구는 지속적으로 증대될 것으로 예상할 수 있음