세라믹 분리막: 고체 배터리 안전의 수호자
1. 세라믹 분리막은 왜 필요한가요?
기존의 액체 배터리 분리막(예: 체육/피피)은 고온에서 녹고 수축하는 경향이 있어 양극과 음극 사이에 단락이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 기존 리튬 배터리에 사용되는 액체 전해질은 가연성 및 누출 위험을 내포하고 있습니다.
고체 전지는 고체 전해질을 사용하지만, 여전히 높은 계면 임피던스와 리튬 덴드라이트 침투 위험이 있습니다. 이와 대조적으로, 세라믹 분리막은 다음과 같은 특징을 통해 이러한 문제점을 해결합니다.
(1)고온 내구성: 세라믹 소재(알루미나, 보헤마이트 등)는 일반적으로 1,500°C 이상의 녹는점을 갖고 있으며 300°C 이상의 고온에서도 고장 없이 견딜 수 있어 극한 환경에서도 배터리가 안전하고 안정적으로 유지되도록 보장합니다.
(2)관통 저항성: 세라믹 입자는 경도가 높아(보헤마이트의 모스 경도는 3.5) 리튬 수지상 결정이 관통하는 것을 효과적으로 차단할 수 있습니다.
(3)화학적 안정성: 고체 전해질과 호환되므로 부작용을 피하고 배터리 수명을 크게 연장합니다.
(4)기능적 복합성: 일부 세라믹 소재(예: LATP)는 이온 전도성을 가지고 있어 계면 임피던스를 최적화할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 세라믹 분리막은 전고체 전지의 필수 핵심 부품이 됩니다.
2. 세라믹 분리막의 재료 종류 및 구조 공정
(1) 재료 유형:
알루미나 세라믹, 복합 세라믹, 나노 세라믹.
(2) 구조 :
코팅 세라믹 분리막: 폴리올레핀 기반 멤브레인(체육/피피) 표면에 두께 500nm~4μm의 세라믹 층을 코팅하여 내열성을 강화했습니다(내열 온도 200°C).
복합 세라믹 분리막: 세라믹 입자가 폴리머 전해질과 합성되어 3차원 이온 전도 네트워크를 형성합니다.
모든 세라믹 고체 전해질: 나시콘 유형(예: 엘엘조) 또는 가넷 유형(예: LLTO) 세라믹을 분리막으로 직접 사용하여 액체 전해질을 완전히 제거합니다.
(3) 프로세스:
코팅 공정: 미세 조각 그라비어 롤 코팅 또는 슬롯 다이 압출 코팅을 사용하여 세라믹 층의 단면/양면 균일 코팅을 구현합니다. 예를 들어, 보헤마이트 코팅의 두께는 1~2μm로 정밀하게 제어되어 안전성과 에너지 밀도의 균형을 유지합니다.
소결 기술: 고온 소결(800~1200°C)을 사용하여 세라믹 입자를 기본 막과 단단히 결합하여 밀도가 높은 층을 형성합니다.
계면 조절: 인공 세이 필름이나 빠른 이온 전도체(예: LiTFSI)를 세라믹 층과 전극 사이에 도입하여 계면 임피던스를 줄입니다.