[2차 전지 소재] 분리막 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

1. 2차 전지 분리막 개요와 시장 분석

 

2차전지 4대 핵심 소재와 분리막 속 리튬 이온 이동 모습 (출처 : 삼성SDI)

 

2차전지에 들어가는 소재는 크게 양극재, 음극재, 분리막, 전해액로 구성되며 이를 4대 핵심소재라고 합니다. 이 4대 소재는 2차전지의 에너지용량, 출력, 안정성 등 배터리의 성능에 직접적인 영향을 미치는 요소입니다.

이 중 양극재와 음극재 관련 내용은 아래 포스팅을 참고 부탁드립니다.

[2차 전지 소재] 양극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 양극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

 

[2차 전지 소재] 음극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 음극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

 

2차전지는 양극재와 음극재 간 이온화 경향차로 인해 산화,환원 반응이 발생하고, 이로 인해 리튬 이온이 이동하게되면서 전류를 생성하게 됩니다.

이 중 분리막은 양극과 음극이 직접적으로 접촉하지 않게 분리하는 절연막으로 화재, 폭발 등을 방지하고 이온을 원활하게 이동시켜주는 2차전지 안전성의 핵심 소재 입니다.

분리막은 기본적으로 아주 작은 기공이 있어 그 사이로 리튬 이온이 통과해 양극과 음극으로 이동할 수 있습니다.
만약 배터리 온도가 일정 수준 이상으로 높아지게 되면 분리막의 기공이 막혀 리튬 이온의 이동이 차단되고, 배터리의 쇼트 현상을 방지하게 됩니다.
또한 배터리 내부에 생기는 이물질을 통과하지 못하게 막는 역할도 수행하고 있습니다.
이처럼 분리막은 배터리의 안전성과 수명에 관여하며, 최근 배터리 출력 및 고속 충전에도 관여하는 소재로 주목받고 있습니다.

 

2차 전지 분리막 (출처 : SKIET)

 

분리막의 위와 같은 역할과 특성 때문에, 분리막은 절연성과 전기화학적 안정성, 기계적 강도가 뛰어나야하고, 표면의 기공이 많아야 하며, 그 크기가 균일해야 합니다.
또한 두께가 얇을수록 더 많은 양의 양극과 음극 활물질을 넣어 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.
따라서 분리막에는 주로 폴리에틸렌(PE), 폴리올레핀(PO), 폴리프로필렌(PP) 등과 같이 절연 특성이 좋은 고분자 소재가 사용됩니다.

분리막은 공정 방법에 따라 건식 분리막과 습식 분리막으로 구분되며, 습식 분리막의 안정성 더 좋고, 박막화가 우수해 전기차용 배터리에는 습식 분리막 사용이 증가하고 있습니다.
최근에는 습식 분리막의 고온 변형 문제를 해결하기 위해 세라믹을 코팅한 방법이 연구 및 사용되고 있으며, 이후 전고체배터리가 상용화되면, 분리막이 필요 없어지게 됩니다.

 

분리막 타입별 시장 규모 및 비중 전망 (출처 : IBK투자증권)

 

분리막은 전기차용 2차전지 소재 원가 비중의 약 16%를 차지하고 있으며, 셀 전체 원가의 약 10%를 차지하고 있습니다.
이는 현재 60kWh 전기차 배터리 기준 1대당 약 56만원 정도의 비용을 차지한다고 합니다.

 

전기자동차용 2차전지 배터리 원가 구조 (출처 : 삼성증권)

 

글로벌 분리막 시장은 21년 43억 달러에서 25년 109억 달러, 30년 186억 달러로, 연평균 31% 성장해 21년 대비 약 4배 이상 성장할 것으로 전망하고 있습니다.
특히, 23년부터 수요가 공급을 초과하는 쇼티지 현상이 발생할 것으로 예상되고 있습니다.
다만, 전고체배터리로 대체될 경우 그 비중은 점차 줄어들 것으로 예상됩니다.

2차전지 분리막 시장 전망 및 수급 전망 (출처 : IBK투자증권)

 

분리막의 주도 국가는 중국, 일본, 한국으로, 중국이 약 53%의 시장점유율을 갖고 있으나 저가 제품, 내수시장을 바탕으로 하고 있으며, 일본(35%)과 한국(12%)이 하이엔드 제품(습식 분리막)을 앞세워 글로벌 시장을 주도하고 있습니다.
특히 최근 배터리 화재 이슈가 자주 발생하면서, 고성능, 고안정성의 분리막 수요가 많아짐에 따라 일본과 한국의 시장 지배력은 더욱 강화될 것으로 전망됩니다.

주요 기업별, 국가별 글로벌 분리막 시장 점유율, 2020년 기준 (출처 : IBK투자증권)

 

티어 1의 습식 분리막 중에서는 한국의 SKIET(27%), 일본의 Asahi(24%)와 Toray(24%), 세 업체가 과점하고 있으며, 현재 일반 습식 분리막 대비 60%~100%의 가격차이가 나는 것으로 알려져 있습니다.

 

SKIET 분리막 생산캐파 전망 (출처 : IBK투자증권, SKIET)

 

국내에서 SKIET 뿐만아니라 LG에너지솔루션, 삼성SDI 등도 분리막 내재화를 위한 사업 진출을 진행하고 있습니다.
LG에너지솔루션은 일본의 Toray와 합작법인(JV) 설립을 논의 했으며, 삼성SDI는 분리막 생산 기업인 더블유스코프(W-Scope)에 지분 투자를 하였습니다.

 

국내 주요기업의 분리막 관련 사업 현황 (출처 : IBK투자증권)

 

 

반응형

 

 

2. 분리막 종류와 발전 전망

 

건식 분리막(좌)와 습식 분리막(우) 구조 (출처 : NICE, 유펙스켐)

 

분리막은 음극과 양극을 안정적으로 분리하고, 리튬 이온을 잘 통과시켜야하며, 이물질 이동을 차단하고, 온도 증가 시 기공을 막아 이온 이동을 차단해야 합니다.
이에 필요한 특성은 다음과 같습니다.

• 전기화학적 안정성 (저항성) : 배터리 전해액에 장시간 담겨져도 변형이 되지 않아야 한다.
• 유연성 : 금속 전극과 닿았을 때 변형이 되지 않아야 한다.
• 강도 : 조립 과정과 롤링 과정에서의 압력에 견딜 수 있어야 한다.
• 통기성과 투공성 : 리튬 이온을 원활하게 통과시킬 수 있어야 한다.
• 연신률 : 극박으로 만들 수 있어야 한다.
• 젖음성 : 천해액이 분리막 표면에 충분히 젖을 수 있어야 이온전도도가 향상됨.
• 내열성 : 특정 온도(130~150℃) 이상의 열환경에서 용융하여 기공 폐쇄.

 

분리막의 물리적 인자 및 전기화학적 특성의 상관관계 (출처 : 이베스트투자증권 리서치센터)

 

분리막은 주로 위 특성들을 만족하는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)와 같은 미세다공성 고분자필름으로 제조하며, 제조 공정 방법에 따라 건식막과 습식막으로 나뉩니다.

 

분리막 주요 물성치 기준(좌)과 건식 및 습식 분리막 특성 비교(우) (출처 : 이베스트투자증권, IBK투자증권)

 

건식 분리막은 기계적인 힘으로 필름을 늘린 후 열처리하여 기공을 만드는 방식으로, 제조 방식이 쉽고 저렴하며, 내열성이 뛰어나고, 기공이 직선 형상이라 리튬이온의 고속 출력이 가능합니다.
하지만 기공의 크기가 균일하지 않고, 기계적 강도가 약하며, 박막화가 어렵습니다.

습식 분리막은 필름에 첨가제를 추가해 화학적 상분리를 통해 기공을 만들고 열처리 하여 제조 합니다.
화학적으로 제조하기 때문에 얇게 만들 수 있으며, 기공 크기의 균일성이 높고, 그물형으로 분포하여 기계적 강도가 높습니다.
반면, 기공이 불규칙하게 분포하기 때문에 이온의 흐름이 어려우며, 내열특성이 취약하고, 제조 단가가 비쌉니다.

 

분리막 종류별 제조 공정도 (출처 : NICE)

 

최근에는 습식 분리막의 내열성 향상을 위해 LG화학에서 개발한 세라믹 코팅 분리막(SRS)과 SKIET의 세라믹 코팅 분리막(CCS)을 차세대 분리막으로 사용하고 있습니다.
세라믹 코팅에 사용되는 세라믹 재료로는 알루미나, 보헤마이트 등이 있습니다.
다만, 코팅을 하게 되면 공정 단가가 상승하고, 기공이 차단되어 통기성이 저하된다는 단점이 있습니다.
따라서 필요한 통기성, 연신율을 만족하고, 공정에서 발생하는 이물을 줄이는 고난도 코팅 기술이 필요합니다.

 

세라믹 코팅 분리막 (출처 : 이베스트투자증권 리서치센터)

 

국내 에너에버배터리솔루션의 분리막 기술 개발 로드맵 (출처 : 이베스트투자증권 리서치센터)

 

내열성이 우수하고 가격이 저렴한 건식 분리막은 주로 ESS나 전기 버스 등의 배터리에 사용되고 있으며, 박막화가 쉽고 안정성이 높은 습식 분리막은 고성능 전기차 배터리에 주로 사용되고 있습니다.

 

 

관련 포스팅
[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 제조 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 제조 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 전극 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 전극 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 조립 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 조립 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 화성공정 (충방전 공정) 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 화성 공정 (충방전 공정) 및 관련 장비 기업

[2차 전지 소재] 동박, 전지박 산업 분석 및 관련 기업 (일진머티리얼즈, SKC, 솔루스첨단소재)

[2차 전지 소재] 동박, 전지박 산업 분석 및 관련 기업 (일진머티리얼즈, SKC, 솔루스첨단소재)