일본 정부가 추진하고 있는 혁신적 연구개발(R&D) 추진 프로그램 ImPACT가 차세대 자동차용 배터리 분리막(LiBS: Lithium-ion Battery Separator) 관련 분야에서 성과를 내고 있다.
도쿄대학의 이토 코조 교수를 프로그램 매니저로 둔 유연한 터프 폴리머 실현 프로그램에서 개발한 것으로, 연료전지자동차(FCV), 전기자동차(EV)의 연비 향상이나 주행거리 연장에 도움이 되고 FCV, EV 보급이 본격화되면 상용화 가능성이 높아질 것으로 기대하고 있다.
Mitsubishi Chemical(MCH)은 LiBS 분야에서 얇으면서도 강도가 높은 PP(Polypropylene) 다공질 필름을 개발했다.
학계와 연계함으로써 기존에 어려움을 겪었던 정밀한 공공구조 제어가 가능해졌으며 5마이크로미터까지 얇게 제조할 수 있게 됐을 뿐만 아니라 단위두께당 강도를 2-3배 향상시키는데 성공했다.
LiBS를 얇게 제조하면 양극, 음극을 두텁게 만들어 이온의 흐름을 원활하게 만들 수 있기 때문에 궁극적으로는 배터리 고용량화로 이어질 것으로 기대된다.
MCH는 LiBS를 25마이크로미터에서 5마이크로미터로 80% 얇게 제조하면 용량이 20% 늘어나고 EV 주행거리도 20% 향상될 것으로 판단하고 개발을 진행하고 있다.
제조공법은 용제를 사용하지 않아 생산성이 뛰어나며 공공구조제어가 어려운 건식 2축연신을 채용했다.
막을 얇게 만들면 강도가 떨어지는 것이 일반적이나 절연성, 이온투과성을 유지하면서 강도를 높일 수 있는 방법에 대해 고민하며 소재에 단일 PP를 사용하고 다양한 결정핵 소재를 적용해 개발을 진행했다.
우선, 강도가 떨어지는 요인을 분석하기 위해 학계와 연계해 다공구조, 구조인자 등을 분석하고 있으며 학계로부터 받은 지침 및 제안에 무게를 두고 평가 및 개발을 진행했다.
이에 따라 공공경, 공공률, 공공분포 등 공공구조를 정밀하게 제어할 수 있다면 얇게 제조해도 고기능 필름을 제조할 수 있다는 결론을 얻었으며 PP 결정화 제어 및 배향제어를 실시했다.
또 학계의 요청에 따라 PP 결정의 라멜라 배향을 맞추고 배향에 수직으로 연신함으로써 등방 및 균일화된 공공구조를 형성해 얇아도 기능이 우수한 필름을 제조하는데 성공했다.
Asahi Glass(AGC)는 불소 분야에서 축적한 노하우를 살려 고내구성 FCV용 전해질 막을 개발했다.
막 두께는 기존의 5분의 1에 불과하나 내구성을 5배 이상으로 향상시키는데 성공한 것으로 막을 얇게 만듦으로써 배터리 셀의 효율성 향상을 기대할 수 있게 됐다.
연료전지 스택의 사이즈를 30% 작게 만들 수 있을 뿐만 아니라 가습기 등을 간소화할 수 있어 더욱 작고 코스트가 저렴한 연료전지 시스템을 구축하는데 일조할 것으로 기대된다.
전해 분야에서는 불소계 이온교환막 개발 및 제조를 통해 축적한 기반기술을 활용했다.
박막화 후 막 저항이 줄어들면서 발전출력이 향상됐으나 기계적 내구성이 저하되기 때문에 수소 투과량이 늘어나면 연비성능이 떨어진다는 문제가 있었기 때문이다.
Tetrafluoroethylene(TFE)을 베이스로 이온교환 모노머에 고전도를 사용해 새로운 폴리머를 개발했으며 불소고무에 사용하는 유연화 모노머를 더해 폴리머 구조의 소수부에 유연성을 부여함으로써 얇게 만든 부분이 단단해져 응력을 분산시키도록 해 막이 쉽게 찢어지지 않는 효과를 얻어냈다.
FCV는 액셀의 강약 정도 등 운전 온오프 상태, 출력 변화에 따라 셀 내부에서 건습 사이클이 발생하며 막이 팽윤 및 수축을 반복하면 막이 변형되거나 구멍이 생기는 것으로 나타나고 있다.
이에 따라 신제품의 내구성 평가를 실시할 때에는 파괴에너지, 응력분산성, 흡수에 따른 체적변화, 강성 등을 인자로 지표를 설정하고 무보강으로 두께 5마이크로미터 막을 통해 건식 사이클 테스트를 실시했다.
기존의 폴리머는 막이 파괴될 때까지 2만번 정도의 사이클을 반복했으나 신제품은 현재 5만번를 기록했으며 기존제품의 5배 이상까지 견딜 수 있다는 것을 확인했다.
발전출력도 저가습 환경에서 기존제품에 비해 높은 기능을 발휘할 수 있다는 것을 알아냈다.
수소 투과량 확대에 대응할 수 있는 기술 개발은 2018년 12월까지 계속할 예정이다.
표면을 개질한 무기층 형태의 화합물과 개발 폴리머를 복합화함으로써 투과량 저감, 프로톤 전도성 유지를 둘 다 실현할 수 있다.
투과억제 효과는 기존 막 두께인 25마이크로미터에 가까운 수준까지 높였으며 실효전도도 역시 연료전지 실용화 추진 위원회(FCCJ)가 설정한 목표 범위에 도달할 수 있도록 연구를 진행하고 있다.
닛산자동차(Nissan)도 실증실험을 진행하고 있으며 내구성에서 높은 평가를 받고 있다.
현재는 수소투과를 제어한 샘플 평가를 진행하고 있다.<강윤화 선임기자>