[르포]"머리카락 100분의 1 두께로 150도 열기 버텨라"…열 폭주 막을 방정식 푸는 '배터리 분리막'의 세계

20년 넘게 '배터리 분리막' 개발한 SK IET
대전 R&D센터서 다양한 분리막 실험해 제조
전기차 화재로 배터리 제조사들 요구 다양해
고내열·강도, 셧다운 분리막 등으로 '시장 선도'

대전 유성구에 위치한 SK IET R&D 센터 내부 모습. SK IET 제공

100마이크로미터(㎛). 머리카락의 평균 두께다. 얇은 만큼 쉽게 끊기고 불에 가까이 가기만 해도 확 사그라진다. 이런 머리카락의 100분의 1 두께인 '1㎛ 필름'이 존재하고 이 필름이 150도 열기에서도 버티는 리튬이온배터리 분리막이 될 수 있을까. 20년 넘게 배터리 분리막을 개발해 온 SK 아이이테크놀로지(SK IET) 대전 연구개발(R&D)센터에서는 이런 의문을 현실로 만들고 있었다.

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막으면서 뚫려야 하는 '분리막'..미세다공성막이 해결

SK IET R&D센터 관계자들이 리튬이온배터리 분리막 필름을 실험하는 모습. SK IET 제공

SK이노베이션 자회사인 SK IET의 주요 사업 아이템은 리튬이온배터리 분리막 제조, 판매다. 2003년 관련 연구팀을 출범시킨 후 2004년 국내에서 최초로 분리막 생산 기술을 독자적으로 개발했다. 2007년에는 세계 최초로 5㎛ 박막 제품을 개발해 상업 생산에 성공했다. R&D센터에서 개발한 제품은 국내 12개 생산 라인과 해외 공급망을 통해 전 세계 배터리 제조사에 보내진다.

리튬이온배터리 분리막은 '이차 방정식'을 풀어야 한다. 리튬이온배터리는 전해질을 통해 음극에서 양극으로 이온이 이동하면서 전기 에너지가 생기고 반대로 양극에서 음극으로 이온이 움직이면 충전되는 원리다. 중요한 건 음극과 양극은 무조건 떨어져야 한다는 점이다. 둘이 만나는 순간 열폭주가 일어나 바로 대형 화재로 이어질 수 있다. 이 와중에 이온은 양극과 음극 사이를 오가야 한다. '막으면서도 뚫려 있어야 하는' 모순을 충족해야 하는 것이다.

SK IET는 '미세다공성막'이라는 필름으로 방정식을 풀어냈다. 이 필름은 이온만 오갈 수 있는 아주 미세한 구멍이 있지만 양극과 음극은 만나지 못하게 막아주는 기능을 지녔다. SK IET는 이 필름을 1998년 만들어 현재까지 끊임없이 발전시키고 있다.

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전기차 화재에 다양해진 요구 모두 대응하는 SK IET

김진웅 SK IET R&D센터장이 20일 대전 유성구 R&D센터에서 본보와 인터뷰하고 있다. SK IET 제공

오랜 기간 노하우를 다진 SK IET에 '고차 방정식'이 주어졌다. 전기차 화재가 잇따르면서 고객사들이 뜨거운 열기에도 버티고 화재가 발생할 수 있는 상황은 차단하고 외부 충격에도 강한 분리막을 요구하고 있다. 20일 찾은 R&D센터에서는 이를 실현시키기 위해 '미니 공장'이 연신 돌아가고 있었다. ①미세다공성막에 다양한 첨가제를 섞어 코팅하고 ②가로·세로 방향으로 늘려 두께를 얇게 하고 ③다양한 온도에서 어떻게 반응하는지 끊임없이 실험이 진행되고 있었다.

이 과정을 거쳐 SK IET는 최근 △고내열성 분리막 △셧다운(Shut Down) 온도 저감 분리막 등을 개발 완료했다. 고내열성 분리막은 350도의 고열도 버틴다. 셧다운 온도 저감 분리막은 배터리 온도가 특정 수준(130~140도)에 이르면 녹는 첨가제(고분자)가 들어가 있다. 배터리가 정상 온도를 벗어나면 고분자가 녹으면서 이온이 오가는 구멍을 막아 음극과 양극이 만나 열폭주가 일어날 가능성을 막는 것이다.

김진웅 SK IET R&D센터장은 "SK IET R&D센터는 차별화된 기술력으로 제품 개발의 중추 역할을 맡아 다수의 글로벌 고객사를 상대로 공급을 확대하기 위해 노력하겠다"고 말했다.

대전= 이상무 기자 allclear@hankookilbo.com