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ChemiLOG

플라스틱이 전기차 필수소재가 된다? 배터리 분리막 소재, 초고분자량 폴리에틸렌

안녕하세요, 늦은 여름비가 내리며 밤공기가 선선해진 8월의 마지막 날입니다. 살랑살랑 선선해진 바람을 맞으며 떠나고 싶어지는 때인데요. 나들이 길을 떠나다 보면 요즘 부쩍 전기차가 많이 보입니다. 전기차에서 중요한 부품은 ‘배터리’인데요, 배터리에 사용되는 소재 중 ‘분리막’에 쓰이는 소재가 아주 중요한 역할을 한답니다.

 

한화토탈, 배터리 분리막 소재 생산 늘려 고부가 합성수지 사업 확장!

안녕하세요. 한화토탈 블로그지기입니다. 오늘은 한화토탈이 배터리 분리막 소재로 사용되는 초고분자량 폴리에틸렌(Very High Molecular Weight Poly-Ethylene) 생산설비 증설을 마치고 본격적으로 공

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오늘은 대산 공장에서 생산하고 있는 초고분자량 폴리에틸렌(Very High Molecular Weight Polyethylene, VHMWPE)에 대해서 설명해 드리고자 합니다.

 

 

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초고분자량 폴리에틸렌 V(U)HMWPE

   

초고분자량 폴리에틸렌은 이름 그대로 초고(超高, ultra high), 매우 높은 분자량의 폴리에틸렌입니다. 


일반적으로 분자량 106g/mol 이상의 폴리에틸렌을 초고분자량 폴리에틸렌이라 하는데요. 여기서 분자량에 따라 다시 구분하여 부르기도 합니다. 3x106 g/mol 이상을 Ultra High Molecular Weight Polyethylene(UHMWP)으로, 그 이하를 Very High Molecular Weight Polyethylene(VHMWPE)이라고 한답니다.


오늘은 분자량 0.25x106 ~ 2.5x106g/mol 수준의 초고분자량 폴리에틸렌(Very High Molecular Weight Polyethylene, VHMWPE) 에 대해 알려드릴 텐데요. 초고분자량 폴리에틸렌(VHMWPE)은 초고분자량 폴리에틸렌의 주요 물성 확보를 위한 촉매, 온도, 압력 등의 최적 조건에서 폴리에틸렌 중합(Polymerization) 과정을 통해 만들어집니다. 범용의 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene, HDPE)에 비해 높은 분자량을 가졌기 때문에 강도(Strength), 내화학성, 내마모성, 전기적 특성이 매우 우수합니다.

 

 

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배터리 분리막 소재, 초고분자량 폴리에틸렌 

  

초고분자량 폴리에틸렌은 과연 어떤 제품의 소재로 쓰일까요? 여러 우수한 특성이 있는 초고분자량 폴리에틸렌은 배터리 분리막 소재로 사용됩니다!


배터리의 핵심 4대 구성요소에는 양극, 음극, 전해액, 분리막이 있습니다. 그 중 하나인 분리막(Separator)은 양극과 음극 사이를 가로막고 있는 얇은 막입니다. 분리막은 특히 배터리의 안전성과 성능 측면에서 중요한 역할을 하고 있는데요. 양극과 음극이 만나 합선되지 않도록 물리적으로 막아주는 절연체 역할을 하면서, 동시에 미세한 구멍을 가진 다공성(porous) 구조로 전해질 이온이 효율적으로 통과할 수 있게끔 합니다. 여기서 다공성이란, 고체의 내부 혹은 표면에 작은 빈틈이 많은 상태를 뜻합니다.

 

 

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분리막이 되기 위한 조건!

   

배터리의 용량과 출력을 높이기 위해서는 양극 간 거리가 짧을수록 좋은데, 이 때문에 분리막의 두께는 일반적으로 10~15μm입니다. 보통 머리카락 두께를 100μm라 할 때, 머리카락의 5분의 1 정도로 굉장히 얇은 두께를 가지고 있는 것이죠. 하지만 분리막의 두께가 얇아질수록 그만큼 강도도 떨어지게 됩니다. 분리막이 찢어지거나 변형과 같이 손상이 일어나게 되면 배터리 내부 단락*이 일어날 수 있기 때문에 보다 높은 강도가 요구됩니다.
이렇듯 분리막은 물리적, 전기화학적, 기계적 측면에서 일정 수준 이상이 되어야 비로소 배터리에 적용될 수 있는데요. 초고분자량 폴리에틸렌이 바로 이러한 요구 조건을 만족시킬 수 있는 대표적인 소재라고 할 수 있습니다.

* 단락(sort): 양극과 음극이 직접적으로 접촉되는 현상으로 강한 화학 반응이 일어나 발열, 발화, 폭발이 발생할 수 있음.

 

 

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초고분자량 폴리에틸렌을 분리막으로 탄생시키는 법

   

초고분자량 폴리에틸렌이 실제로 어떻게 배터리 분리막으로 만들어질까요? 분리막은 다공성(porous) 구조를 만드는 제조법에 따라 연신 공정을 기반으로 한 건식 분리막과 추출 공정을 기반으로 한 습식 분리막으로 나눌 수 있는데요. 초고분자량 폴리에틸렌은 습식 분리막의 원재료로 사용됩니다.


먼저, 원재료인 초고분자량 폴리에틸렌과 오일류를 고온 고압으로 압출하여 반고체 상태인 겔-상(gel phase)의 시트(sheet)로 만듭니다. 이후, 냉각과정을 거쳐 시트를 고체화시킨 후 이축 연신(Bi-axial stretching)을 통해 필름으로 만드는데요. 


불규칙한 배열로 존재하는 초고분자량 폴리에틸렌 고분자 사슬(polymer chain)은 이축 연신 공정에 의해 일정한 방향으로 정렬되어 필름의 기계적 물성이 향상됩니다.


연신을 마친 필름은 용매를 사용해서 오일을 추출하는 추출 공정을 거칩니다. 오일이 빠져나간 자리가 빈 곳이 되어 기공(pore)을 형성하면, 다공성 구조의 분리막이 만들어집니다. 마지막으로, 시간이 지나도 분리막의 형태가 변하지 않도록 열고정을 시행해 분리막 내부에 남은 에너지를 제거해주면 초고분자량 폴리에틸렌을 사용한 배터리 분리막이 완전히 완성됩니다!

 


오늘은 배터리 분리막 소재, 초고분자량 폴리에틸렌과 이를 이용한 분리막 제조 공정에 대해서 알아보았습니다. 이번 시간을 통해 초고분자량 폴리에틸렌이 조금이나마 친근하게 느껴졌기를 바랍니다. 선선한 가을이 다가오는 요즘, 모두 건강에 유의하며 남은 여름 행복하게 마무리하시고 즐거운 가을을 맞이하시길 바랍니다. 
(글 : 한화토탈 연구소 PE연구팀 박은진)


  

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