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[2차 전지 소재] 분리막 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

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1 2차 전지 분리막 개요와 시장 분석

2 분리막 종류와 발전 전망

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[2차 전지 소재] 분리막 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

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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] 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)

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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.

배터리 전해액에 장시간 담겨져도 변형이 되지 않아야 한다. 유연성 : 금속 전극과 닿았을 때 변형이 되지 않아야 한다.

금속 전극과 닿았을 때 변형이 되지 않아야 한다. 강도 : 조립 과정과 롤링 과정에서의 압력에 견딜 수 있어야 한다.

조립 과정과 롤링 과정에서의 압력에 견딜 수 있어야 한다. 통기성과 투공성 : 리튬 이온을 원활하게 통과시킬 수 있어야 한다.

리튬 이온을 원활하게 통과시킬 수 있어야 한다. 연신률 : 극박으로 만들 수 있어야 한다.

극박으로 만들 수 있어야 한다. 젖음성 : 천해액이 분리막 표면에 충분히 젖을 수 있어야 이온전도도가 향상됨.

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.

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배터리 안전을 책임지는 ‘분리막’

양극과 음극이 배터리의 성능을 대표하는 소재라면, 분리막은 배터리의 안전성과 관련된 핵심 소재라고 할 수 있습니다. 오늘은 분리막의 특성과 역할이 무엇인지 알아보고, 분리막 관련 기술에 대해 설명해 드리겠습니다.

양극과 음극의 만남을 거부한다!! ‘분리막’

분리막은 간단히 설명하면 절연 소재의 얇은 막으로, 역할은 크게 4가지 정도로 요약할 수 있습니다. 우선, 이름에서 알 수 있듯이 분리막은 배터리 내부에서 양극과 음극이 접촉하지 않도록 분리하고 있습니다.

두번째로는 분리막에는 우리 눈에는 보이지 않지만 매우 미세한 기공(pore)을 가지고 있어 그 구멍을 통해 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 하는 역할을 하고 있습니다.

세번째로는 배터리 내부 온도가 일정 수준 이상 올라가게 되면, 분리막 표면에 위치한 기공들이 막혀 리튬이온의 이동을 차단해 내부적으로 쇼트 발생을 방지합니다.

마지막으로 분리막은 높은 기계적 강도를 지니고 있어 강한 힘을 받을 때 배터리 내부에서 발생하는 부산물이나 이물질들을 막아 안전성을 확보하는 역할을 수행합니다.
[ 분리막 속 기공을 통해 리튬이온이 이동하는 모습 ]
좋은 분리막은 어떤 조건을 갖춰야 할까?

분리막은 다른 소재들과 달리 배터리의 안전성과 연관되어 있기 때문에 여러 조건들이 갖춰져야 합니다.

우선 분리막으로 사용되려면, 전기화학적으로 안정적이어야하고, 절연성이 뛰어나야 합니다. 양극과 음극의 접촉을 차단해야 하는데 분리막이 리튬이온이나 배터리 내부에 있는 다른 이온들과 반응해 버린다면, 마치 고양이에게 생선을 맡기는 것과 같은 거죠.

또한 리튬이온이 원활하게 분리막 사이를 통과할 수 있도록 분리막 표면에 구멍이 많아야 하며, 그 크기는 균일해야 합니다. 구멍이 별로 없거나 들쭉날쭉하면, 리튬이온이 이동하는데 어려움이 있으니까요.

그리고, 배터리의 온도가 일정 수준을 넘어섰을 때 분리막 자체적으로 기공을 막아(Shut-down) 리튬이온의 이동을 차단해 안전성을 확보할 수 있어야 합니다.

마지막으로, 배터리의 에너지 밀도 향상을 위해서는 두께가 얇아야 더 많은 양의 활물질을 넣을 수 있고, 그러면서도 분리막의 기계적 강도가 우수해야 쉽게 손상되지 않고 배터리의 안전성까지 확보할 수 있습니다.
[현미경으로 살펴본 분리막]
코팅 기술을 통해 한 단계 진화하는 분리막

분리막의 소재로는 폴리올레핀, 폴리프로필렌 등과 같이 절연 특성이 뛰어난 고분자 소재가 사용됩니다. 이 소재들을 연신하여 미세한 기공을 만드는데 그 방식에 따라 건식과 습식으로 종류를 나눌 수 있습니다.

건식 제조는 단순히 기계적인 힘으로 필름 원단을 당겨 기공을 만드는 방식이고, 습식 제조는 필름에 여러 참가제를 추가해 화학적인 방식으로 기공을 만드는 방식입니다. 건식의 경우, 제조공정은 간단하나 기공 사이즈가 불균일하고, 습식에 비해 기계적 강도도 약합니다. 반면, 습식의 경우는 제조공정이 복잡해 고가지만 균일하게 기공의 사이즈를 만들 수 있다는 장점이 있습니다.

과거에는 분리막으로 필름 소재 하나만을 사용했지만, 최근에는 분리막의 성능을 강화하기 위해 다양한 소재와 방식으로 코팅하여 사용하고 있습니다.

삼성SDI는 분리막 코팅 기술 내재화를 통해 차별화된 경쟁력을 확보하고 있습니다. 초고내열성 분리막 개발을 통해 배터리 안전성을 확보하고 박막화 기술로 배터리 용량 증가에 일조했습니다. 또한, 배터리의 품질 확보를 위해 접착분리막을 개발하여 사용 중이며, 안전성과 품질을 동시에 확보하기 위한 고내열 접착분리막의 개발은 양산 완성 단계에 있습니다.
[삼성SDI의 분리막]
지금까지 분리막의 주요 역할과 특징, 개발방향 등에 대해 소개해 드렸습니다. 배터리의 안전성과. 직결되는 소재인 만큼 더욱 꼼꼼하게 검증하고, 안전한 배터리 제조를 위해 힘쓰겠습니다.

2차전지 분리막 업체 더블유씨피 “2025년까지 30%마진 예상”…폭풍 성장 예고

2차전지 분리막 업체 더블유씨피 “2025년까지 30%마진 예상”…폭풍 성장 예고 이미지 확대보기 더블유씨피 청주공장.

2차배터리 생산에 필요한 분리막 생산 국내 2위(업계선두는 sk아이이테크놀로지)업체 더블유씨피(WCP)가 전기자동차의 수요 호조로 2025년까지 영업이익률이 30%를 넘어설 것으로 예상한다고 전문가들이 예상하며 급속 성장 가능성을 시사했다.더블유씨피는 2021년에는 매출액 1850억 원과 영업이익 404억 원을 신고해 거의 22%의 마진을 보였다.최원건 더블유씨피 사장은 충주본사와의 인터뷰에서 “올해 매출은 약 40% 늘어 약 2억달러(약 2601억 원)로 증가할 것으로 예상하고 있다”고 말하며 “향후 5년간의 생산계획은 모두 준비됐으며 신규 수주를 위해 잠재 파트너들과 협의하고 있다”고 말했다.최사장은 더블유씨피 설립 전 삼성전자의 반도체와 디스플레이 사업부에서 약 10년을 보냈으며, 막 생산 기술이 리튬 이온 배터리용 분리막에 사용될 수 있다는 것을 깨달은 것으로 알려졌다.청주공장이 만드는 분리막(세퍼레이터)은 얇은 절연막으로 전기 전지 내에서 음극과 양극을 물리적으로 격리시켜 단락을 방지하면서도 이들 사이에 이온을 순환시키는 역할을 한다. 분리막은 배터리 제조 핵심 기술로 손꼽히고 있다.더블유씨피는 곧 주식시장에 상장될 예정으로 최소 3조 원의 주식 평가액을 노리고 있으며, 이 돈은 헝가리에 새 공장을 짓는 데 사용될 예정이다. 더블유씨피의 주 고객은 삼성SDI와 LG에너지솔루션·소니그룹으로 알려졌다.최사장이 한국 시장에 주식을 이제야 상장하는 이유로 그는 “막으로 배터리 분리막을 만들고 싶다고 했을 때 한국에서 나를 믿어주는 투자자가 없었다”고 말했다.” 더블유씨피가 더블유스코프 일본회사의 자회사인 이유다. 한국의 벤처 사업가들에 대한 투자가 아쉬운 대목이다.한편, 더블유씨피의 공모 예정 가격은 주당 8만원에서 10만원 사이로 설정됐으며, 총 900만주이다. 공모주 청약을 통해 거래는 8월 중순에 시작될 예정이다.장용석 글로벌이코노믹 기자 [email protected]

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