세라믹 코팅

세라믹 코팅(ceramic coating)은 금속표면에 유리질 또는 내화물의 피복을 하여 내식성, 내열성, 전기 절연성 등을 갖게 하는 방법으로 다음 4가지가 있다. 제트엔진이나 로켓엔진 같이 높은 온도에서 고속동작시키는 부품, 금속공업 · 화학공업 등 고온의 부식성이 강한 환경에서 사용되는 장치, 또는 가정용 기구에서 녹을 방지하기 위해 세라믹코팅이 실시된다.

① 법랑(琺瑯 : 유리화 에나멜)에 의한 피복은, 내열성은 낮으나 기밀성, 절연성, 내식성이 뛰어나다.

② 플라스마 용사에 의한 알루미나, 지르콘 등의 피복은 고도의 내열성을 가진다.

③ )화학적 증착에 의한 피복(CVD)은 1000~2000℃의 고온에서 할로겐화물을 열해리 또는 환원하여 금속표면에 증착시켜 화합물 피막을 만드는 방법으로 TiC나 TiN 등의 경질 피막을 만들 수 있다. 또 흑연에 SiC피막을 실시하면 다이아몬드에 필적할 만한 경도를 얻을 수 있다.

④물리적 증착에 의한 피복은 주로 스패터링이 사용되며, 활성 스패터링에서는 산화물, 질화물, 고주파 스패터링에서는 SiO2의 피막은 전자공업 분야에서 이용되고 있다.

분리막 세라믹 코팅

분리막 세라믹 코팅은 배터리 핵심 소재 중 하나인 분리막의 안전성을 강화하면서 동시에 성능도 보장하기 위해 나온 기술이 코팅 기술이다. 분리막 세라믹 코팅 기술의 경우, 분리막 표면에 세라믹 입자와 고분자 바인더를 코팅해 열에 약한 단점을 보완해 주는 것이다. 즉 미세한 세라믹 돌가루를 분리막에 얇게 펴 바르는 기술이다. CCS 코팅을 거치고 난 분리막은 형태가 쉽게 변형되지 않는다. 외부 압력에도 잘 견디고 열에도 수축되지 않아 배터리 화재를 막아준다.

분리막 표면에 세라믹을 도포하는 기술 자체는 미국 셀가드가 원천 기술을 보유하고 있지만, LG에너지솔루션과 SK이노베이션이 보유한 기술은 이 세라믹 코팅에 미세한 구멍을 만들어 전기를 발생하는 리튬이온의 이동은 원활하게 하면서 다른 이물질이 들어와 분리막이 찢어지거나 고온으로 수축되는 현상을 막는 등 한 단계 더 진화한 기술이다.

안정성 강화 분리막 구조

 

2차전지 배터리는 계속 전기를 주고받아야 하는 특성상 발생하는 운동에너지로 인해 쉽게 열이 날 수 있는데 분리막이 이 열에 취약하다는 점이 있다. PE 분리막은 약 130℃ 근처에서 용융하기(녹기) 시작해 기공이 폐쇄되는 셧다운 특성이 있다. 또 150℃ 이상에서는 완전히 용융해 내부 단락을 막지 못하고 붕괴하는 상태(meltdown 또는 mechanical integrity) 파괴에 이른다.

최근 주목받는 기술은 코팅방식이다. 코팅은 세라믹으로 하는 것, 폴리머로 하는 것, 컴바인으로 하는 3가지 종류가 있다. LG화학은 분리막 표면에 세라믹 입자와 고분자 바인더를 코팅하는 Dip 코팅 방식을 적용한 분리막을 리튬이온 2차전지 배터리에 적용했다. LG화학의 SRS 기술의 경우 나노 세라믹 코팅을 적용해 배터리의 내구성과 내열성을 강화하고 이온이 잘 통하는 다공성 폴리올레핀(PO) 소재로 배터리 내부의 전기적 단락을 감소시켜 준다. 이 기술은 특히 안전 문제가 중요한 전기차용 배터리에서의 경쟁력에 큰 영향을 준다.

LG화학의 경우 자체 생산은 하지 않고 일본 도레이에 의뢰해 생산하고 있다. 또한 향후 사용되는 분리막으로 다층 구조에 세라믹 코팅 분리막을 적용할 것이다. 박막화, 고투과, 고강도, 고내열성으로 개발하고 있다. 두께는 현재 10㎛까지 줄였다. 세라믹 코팅은 안전성과 내열성이 높고 기공이 막히거나 출력이 저하되는 단점을 제거하여 수명이 늘어나게 된다. 전기차용 각형 배터리에는 2019년부터 적용되고 있다. 하지만 이러한 코팅 방식은 단가가 습식과 건식에 비해 높다.

참고자료

• 원호섭 기자, 〈`지그재그 기법`에 고품질 분리막 더해…배터리 화재 막는다〉, 《매일경제》, 2021-06-17
• 박정일 기자, 〈안전성·성능 좌우 `세라믹 코팅·양극재` 핵심기술 놓고 격돌 - 〉, 《디지털타임스》, 2021-04-01
• 럭킴, 〈리튬이온 배터리 기초 5. 분리막이란?〉, 《티스토리》, 2020-06-15

같이 보기

• 분리막
• 세라믹
• 안정성 강화 분리막

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