분리막의 역할
2차전지의 단위 셀은 양극, 음극, 전해액 그리고 분리막으로 이루어져 있다. 분리막은 전해액 내부에서 물리적으로 공간을 분리시켜 놓는다. 절연 소재로 이루어진 분리막은 다음과 같은 역할을 가지고 있다.
(1) 양극과 음극의 접촉 방지
2차전지 내부에서 이루어지는 전기화학 반응은 간접 반응을 통한 전기 에너지 생산으로, 전해액을 사이로 두고 있는 양극과 음극의 반쪽 반응에서 발생하는 전하들의 이동으로 이루어진다.
만약, 양극과 음극이 분리되지 않고 직접적으로 반응하면 연소 반응이 일어나고, 쇼트가 발생하여 화재가 일어나게 된다. 때문에, 전해액에 분리막을 삽입하여 양극과 음극의 접촉을 차단시킨다.
(2) 이온들의 이동 통로
전기화학 반응 과정에서 리튬과 같은 이온들은 전해액을 타고 이동한다. 이때 분리막은 우리 눈에 보이지 않는 미세한 기공들을 가지고 있으며 이온들이 통과할 수 있는 통로 역할을 한다.
(3) 쇼트 발생 방지
배터리 내부의 온도가 상승하면 이온들이 더욱 활발하게 움직이게 된다. 이때, 온도가 일정 수준 이상으로 올라가게 되면 내부적으로 쇼트가 발생할 수 있다.
이렇게 온도가 과도하게 높아진 상황에선 분리막 표면에 있는 기공들이 닫혀 이온들의 물질 이동을 차단하고 쇼트를 방지하는 역할을 한다.
(4) 기계적 강도 유지
배터리 셀이 내부의 충격으로부터 안전하려면 일정 수준 이상의 기계적 강도가 필요하다. 분리막은 높은 기계적 강도를 가지고 있어, 강한 힘을 받을 때 배터리 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질들을 막아 안전성을 확보하는 역할을 한다.
좋은 분리막의 조건
분리막은 배터리의 안전성과 직접적으로 연관되어 있기 때문에 전기화학적으로 안정적이어야 하며, 절연성이 뛰어나야 한다. 또한, 이온들이 원활하게 분리막 사이를 통과할 수 있도록 분리막 표면의 기공들은 균일한 크기를 가져야하며 그 갯수가 충분히 많아야 한다.
배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해서는 활물질이 많이 들어가야 한다. 이를 위해서 분리막의 두께를 가능한 얇게 만들어 내부 공간을 충분히 확보할 수 있어야한다. 그러면서도 분리막의 기계적 강도가 우수해야 셀의 안전성을 높일 수 있다.
마지막으로 배터리의 온도가 일정 수준을 넘어섰을 때의 쇼트를 방지하기 위해서 분리막 자체적으로 기공을 막는 역할도 수행해야 한다.