전기자동차(EV)용 배터리 시장이 급성장하면서 배터리의 안전성을 좌우하는 분리막이 주목받고 있다.
전기자동차용 LiB(리튬이온전지)는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막이 4대 핵심 소재로 분리막은 양극과 음극이 서로 만나지 않도록 물리적으로 막아주는 역할을 한다. 분리막이 손상되면 양극과 음극이 만나 열이 발생하고 배터리 화재로 이어질 수 있기 때문이다.
배터리 생산기업들은 고성능 분리막 개발 및 생산에 고심하고 있으며, 최근에는 박막화를 통해 배터리의 에너지 밀도와 안전성을 높이는 연구를 강화하고 있다.
글로벌 분리막 수요는 2020년 약 40억평방미터에서 2025년 160억평방미터로 4배 증가할 것으로 예상된다.

 

한국‧일본‧중국 3각 축으로 증설 경쟁
SK이노베이션의 자회사 SK아이이테크놀로지(SKIET)는 고기능성 분리막 개발에 총력을 기울이고 있다.
SKIET는 폴란드 공장 증설에 1조원을 투입하는 등 생산능력을 확대하고 있다. 폴란드 실롱스크(Slaskie)와 중국 창저우(Changzhou)에 건설하고 있는 신규 공장을 순차적으로 가동하면 2021년 말에는 생산능력이 약 13억6000만평방미터로 3배 확대될 것으로 예상된다.
LiB 분리막 시장을 독점해왔던 일본 아사히카세이(Asahi Kasei)와 도레이(Toray)도 공격적인 증설을 추진하고 있다.
아사히카세이는 2025년까지 분리막 생산능력을 30억평방미터로 확대할 계획이다. 2018년까지 글로벌 분리막 시장점유율 17%로 1위를 달렸으나 2019년 중국 Yunnan Chuangxin New Material에 밀려 2위(점유율 15%)로 떨어졌다.
도레이는 2018-2019년 생산능력을 8억5000만평방미터 수준으로 30% 증설했고 2021년 7월 헝가리 공장 증설을 완료해 생산능력을 10억평방미터로 20% 확대했다.
중국기업들도 한국과 일본을 위협하고 있다.
중국 Yunnan Chuangxin은 2019년 글로벌 시장의 18%, 중국 시장의 41%를 차지해 세계 11위로 부상했다.
Yunnan Chuangxin은 2018년 중국 최대의 배터리 분리막 생산기업 SEMCORP 지분 90%를 인수하면서 뒤늦게 배터리 소재 시장에 진출했으나 2020년 3월 중국 2위 Suzhou Jieli를 자회사화하고 12월 Newmi Tech 지분 76.36%를 인수하는 등 공격적인 인수합병(M&A)을 통해 외형을 확장하고 있다. 2020년 헝가리에 1억8300만유로를 투입해 4억평방미터 공장을 건설하겠다고 발표하는 등 외연 확장에 총력을 기울이고 있다.
분리막 생산능력은 2017년 3억9000평방미터에서 2020년 33억평방미터로 10배 가까이 확대했 2023년까지 63억평방미터로 확장할 계획이다.

 

SKIET, 중국·유럽 중심 투자 가속화
SKIET는 프리미엄 분리막을 제조할 수 있는 축차연신, 세라믹 코팅 분리막 등 기술 경쟁력으로 글로벌 분리막 시장을 선도하고 있다.
SKIET는 2020년 테슬라(Tesla), 폭스바겐(Volkswagen), 도요타(Toyota), 현대자동차·기아 등 티어1(Tier1)에 대한 습식 분리막 시장에서 점유율 26.5%를 확보하며 세계 1위를 달리고 있다.
습식 분리막은 건식 분리막보다 품질이 좋고 대형 배터리 분야에서 수요가 급증하고 있으며 글로벌 시장은 기존에 아사히카세이, 도레이 등 일본기업들이 장악했으나 SKIET가 빠르게 성장하며 1위를 차지하게 됐다.
SKIET는 중국과 유럽 투자를 바탕으로 2025년 시장점유율을 43.0%로 끌어올림으로써 독보적인 1위로 등극하는 것을 목표로 하고 있다.
중국에서는 2020년 12월 중국 창저우에서 분리막 1공장을 가동했고 5개월만인 2021년 4월 2공장도 가동을 시작했다.
생산능력은 1공장이 3억4000만평방미터이고 2공장도 동일한 3억4000만평방미터이지만 1억7000만평방미터만 부분 가동해 5억1000만평방미터 체제를 갖추고 있다.
2공장은 가동 전부터 2021년 생산물량에 대한 공급계약을 확보했고 나머지 1억7000만평방미터 라인도 2022년 상반기 상업 가동할 계획이다.
유럽에서는 폴란드 실롱스크에 현지 첫 생산기지를 건설하고 있으며 2021년 8월 분리막 생산능력 3억4000만평방미터 1공장을 완공한 것으로 알려졌다.
SKIET는 폴란드 실롱스크에 2024년까지 총 2조원을 투자해 유럽 최대 생산능력인 15억4000만평방미터 체제를 확보할 계획이다.
현재 2023년 상업가동을 목표로 생산능력 3억4000만평방미터의 2공장과 각각 4억3000만평방미터 생산능력을 갖출 3공장과 4공장 등을 건설하고 있어 2024년에는 한국‧중국‧유럽에서 27억3000만평방미터 생산체제를 확보할 것으로 예상되고 있다.

 

LG화학, 분리막 사업 철수 후 재진출
LG화학은 분리막 개발팀을 신설하고 6년만에 전기자동차용 배터리 분리막 시장에 다시 진출했다.
LG화학은 한국과 중국에서 배터리 핵심 소재인 음극재와 양극재를 생산하고 있어 분리막 사업에 진출하면 전해액을 제외한 배터리 핵심 소재 모두를 생산해 LG에너지솔루션에게 공급할 수 있다.
LG화학은 분리막을 직접 생산하고 관련 특허도 다수 보유했으나 외부에서 납품받는 것이 낫다고 판단해 오창공장 설비를 2015년 도레이에게 매각했다. 도레이가 분리막 필름을 납품하고 LG화학의 특허 기술을 바탕으로 LG전자가 분리막을 코팅해 LG에너지솔루션에게 납품하는 방식이다.
이후 배터리연구소에서 분리막 개발팀을 운영했으나 2020년 9월 배터리 부문을 LG에너지솔루션으로 물적분할하면서 연구소도 함께 분사했다.
그러나 LiB 사업 전략상 분리막 생산이 필요하다고 판단하고 재진출을 선언했으며, LG전자의 분리막 사업부문을 인수했다.
LG에너지솔루션 배터리를 탑재한 현대자동차 코나EV와 미국 제너럴모터스(GM)의 볼트EV가 화재로 문제가 되고 있으며 화재 원인으로 분리막 문제가 꾸준히 거론되고 있기 때문이다.
LG화학은 LiBS 중 티어1 습식 분리막 개발을 추진하고 있는 것으로 알려졌다.
티어1은 테슬라, 폭스바겐, 르노닛산(Renault-Nissan), 포드(Ford), 현대자동차 등에게 공급하는 프리미엄 분리막으로 SKIET가 글로벌 시장의 26%를 점유하고 있고 아사히카세이, 도레이 등도 고품질 분리막을 생산하고 있다.
LG화학은 2021년 7월 LG전자의 분리막 코팅 사업을 인수했으며 2025년까지 6조원을 투자해 양극재, 분리막, 음극 바인더, 방열 접착제, CNT(Carbon Nano Tube) 등을 집중 육성할 계획이다.

 

도레이와는 분리막용 필름 합작투자
LG화학은 도레이와 헝가리에 2차전지용 분리막 필름 합작법인도 설립한다.
50대50 비율로 합작해 총 1조원 이상을 단계적으로 투자한다. LG화학과 THU가 각각 3억7500만달러(4300억엔)를 출자하며, LG화학은 합작법인 설립으로부터 30개월 후 도레이 지분 20%를 추가로 인수해 경영권을 확보할 계획이다. 
합작공장은 헝가리 북서부 뉠게주우이팔루(Nyergesujfalu)에 소재한 도레이의 100% 자회사 THU 공장 부지에 들어서며 2022년 상반기 착공해 2028년 상업가동을 목표로 하고 있다. THU는 배터리 분리막 필름 생산기업으로 2018년 설립돼 2021년부터 헝가리 공장을 가동하고 있다.
생산능력은 8억평방미터 이상을 목표로 하고 있으며 생산제품은 폴란드 브로츠와프(Wroclaw) 소재 LG에너지솔루션 공장과 유럽 배터리 생산기업에게 공급할 방침이다.
도레이는 글로벌 분리막 선두주자로 내열성이 우수한 안전성 강화 3겹 분리막 등 다수의 원천특허를 바탕으로 최고수준의 기술력을 보유하고 있는 것으로 평가된다.
도레이는 합작투자를 통해 유럽에서 LG에너지솔루션을 비롯한 분리막 수요처를 확보하고, LG화학은 자체 보유한 분리막 코팅 기술에 도레이의 원단 사업 역량을 추가해 글로벌 분리막 생산기업으로서 지위를 강화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

도레이, 박막화로 자동차용 고용량화 대응
도레이는 LiB 종류별로 분리막을 개발하고 있다.
안전성을 베이스로 박막화에 따른 고용량 대응, 구경 제어에 따른 고출력 대응을 추진하고 있으며, 자동차용 분리막은 약 10마이크로미터에서 7마이크로미터로 박막화할 계획이다.
분리막이 얇아지면 배터리 내부공간이 늘어 니켈, 코발트, 망간 등 활물질 투입을 확대할 수 있기 때문이다.
특히, 2025년 실용화가 예상되는 금속 리튬 음극을 사용하는 차세대 배터리에는 새롭게 개발한 무공 분리막을 적용할 방침이다.
도레이는 코팅 타입의 다층구조 분리막을 중심으로 LiB 시장을 개척하고 있다.
습식 분리막은 PE(Polyethylene) 양면에 올레핀(Olefin)계 내열성 수지를 조합한 구조를 채용하고 있으며 두께는 최소 4마이크로미터이며 자동차용은 10마이크로미터가 주류를 이루고 있다.
LiB는 크게 전기자동차 등 장시간 가동이 요구되는 고용량 타입과 전동공구 등 순간적인 충·방전이 필요한 고출력 타입으로 분류되며, 고용량 타입과 고출력 타입 모두 안전성 확립을 베이스로 개발을 진행하고 있으나 1개의 LiB에 모든 특성을 실현할 수 없어 용도에 따른 개발이 요구되고 있다.
도레이는 안전성에 주력하며 개별 타입에 적합한 분리막 개발을 강화하면서 자동차용 LiB 고용량화에 집중하고 있다.
LiB 생산기업들은 고용량화를 위해 활물질을 늘림으로써 더욱 많은 전기에너지를 축적할 수 있도록 설계하고 있다.
양극과 음극의 단락을 방지하는 분리막은 안전성 측면에서 필수소재로 자리 잡고 있으나 활물질 투입 확대를 방해하는 요인으로 작용하고 있어 도레이는 강도를 유지하면서 두께를 10마이크로미터 이하로 줄이는 기술 개발에 주력하고 있다.
급속충전 등이 필요한 고출력 타입은 미세한 구경 제어로 대응하고 있다. LiB 내부의 리튬이온이 용이하게 전도되도록 균일한 구멍을 형성함으로써 투과성을 향상시킬 계획이다.
2배 이상의 고용량화가 가능한 것으로 알려진 금속리튬음극배터리용으로는 무공 분리막을 개발해 실용화를 추진하고 있다. 고내열 아라미드 폴리머 무공층을 미다공 분리막 위에 적층함으로써 무공화를 통해 단락을 유발하는 리튬 덴드라이트(수지상 결정)의 성장을 막을 수 있는 것으로 파악하고 있다.
앞으로는 3-5년 후 프로토타입 공급을 목표로 연구개발(R&D)을 계속할 계획이다.
LiB는 전기자동차 운행거리 연장에 중점을 둔 고용량화 기술 개발 프로젝트가 주류를 이루고 있으나 최근에는 공유용 1인승 초소형 전기자동차 등으로 다양화되고 있어 LiB에 요구되는 특성도 다양해지고 있다.
이에 따라 양극재에 안전성이 높은 인산철리튬을 사용하는 방안이 재검토되고 있고 급속충전, LiB의 2차 이용을 고려한 장수명 설계 등 다양한 R&D가 이루어지고 있다.

 

AKC, 납 축전지용 탄소 코팅 분리막 개발
아사히카세이는 1990년대 LiB 시장이 탄생한 이후 습식 분리막을 공급해온 선두주자로 2015년 폴리포어(Polypore International)를 인수하며 분리막 사업 기반 강화에 주력하고 있다.
최근에는 납축전지용 분리막과 LiB용 건식 분리막 개발을 완료했다.
소재 진화를 통해 축전기기의 성능 향상 및 코스트 감축에 기여하는 것을 목표로 카본을 코팅한 납 축전지용 분리막은 2023년 실용화를, 낮은 저항과 강도를 겸비한 LiB용 건식 분리막은 2022-2023년 출시를 계획하고 있다.
납 축전지용 분리막으로 기술을 확립한 탄소 코팅 분리막은 시험조건에 따라 일반제품의 2배 수준인 2000회에 달하는 사이클 특성을 달성할 수 있고 수요기업 평가를 통해 1차 평가에서 우수한 충전 수용성 등이 호평을 받은 것으로 알려졌다.
우수한 사이클 특성은 카본을 도포해 도전패스를 형성함으로써 사이클 특성을 저하시키는 황산이온 침강 문제를 해소하는 등 도전성을 개선했으며 액식으로 불리는 저코스트 벤트형 거치 납축전지용으로 제안할 계획이다. 
액식의 성능을 끌어냄으로써 드라이 배터리로 불리는 고가의 제어변식 거치 납축전지와 동등한 위치에서 경쟁이 가능할 것으로 기대하고 있다.
LiB용 건식 분리막은 건식 특유의 고출력 특성을 유지하면서 강도를 높이는 기술을 확립했다.
건식 분리막은 현재 전기자동차에 탑재되는 습식 분리막보다 제조코스트가 우수하고 세공이 직선적이어서 리튬이온의 이동 저항 억제가 가능해 고출력계 LiB에 적합한 분리막으로 주목받고 있으나 습식보다 강도가 약하다는 단점이 제기되고 있다.
아사히카세이는 베이스로 채용한 폴리올레핀(Polyolefin)계 폴리머를 고분자화하는 방법으로 수요기업이 원하는 강도를 실현했고 강도를 높일 때 가공성이 떨어지는 문제를 해결하기 위해 첨가제를 추가함으로써 트레이드 오프 관계인 강도와 가공성 양립에 성공했다.
아사히카세이는 새로운 분리막의 뛰어난 출력 특성을 살려 하이브리드자동차(HV)나 ESS(에너지저장장치)용으로 제안할 방침이다.
2022-2023년 출시가 가능할 것으로 기대하고 있으며 건식 분리막을 생산하는 미국공장에서 생산한다.
아사히카세이는 건식 분리막 기술 뿐만 아니라 배터리 고용량화에 기여하는 습식 분리막 기술도 보유하고 있으며 글로벌 시장 점유율이 16%로 상하이에너지의 뒤를 이어 2위를 달리고 있다.

 

상하이에너지와 합작 2028년 생산능력 10배로 확대
아사히카세이는 중국 진출도 적극화해 미국 자회사 폴리포어를 통해 중국 분리막 메이저 상하이에너지(Shanghai Energy)와 49대51 비율로 합작해 Jiangxi Enpo New Materials을 설립했다.
장시성(Jiangxi) 가오안(Gaoan)에 폴리포어 자회사 셀가드(Celgard)가 보유한 건식 PP(Polypropylene) 분리막 기술을 채용한 공장을 건설할 계획이다. 2022년 1억평방미터를 상업화한 후 2028년까지 10억평방미터로 단계적 증설을 추진한다.
고출력화, 장수명화, 저코스트화 등을 충족시킬 수 있는 PP 단층 분리막과 공압출형 다층 분리막을 생산하며, 중국기업이 생산하는 ESS 및 전기자동차용 배터리에 투입할 계획이다.
셀가드가 장기간 축적해온 건식 분리막 프로세스와 품질관리 기술, 상하이에너지가 강점을 갖춘 제조공정과 코스트 관리능력 등을 조합해 높은 경쟁력을 갖춘 분리막를 생산하겠다는 목표를 설정하고 있다.
중국에서는 고기능 스마트폰용 소형 배터리 분야에서 높은 점유율을 확보하고 있고 최근에는 자동차용 등 대형 배터리 분야에 대한 공세를 강화하고 있다.
상하이에너지는 중국 정부의 지원 아래 최근 10년 동안 영향력을 확대해왔으며 현재 6개 공장 35억평방미터 체제를 가동하며 생산능력에서 경쟁기업들을 압도하고 있다.
그러나 상하이에너지는 주로 습식 분리막을 생산하며 건식에서는 경쟁기업에 밀리고 있을 뿐만 아니라 ESS 시장에서도 영향력이 축소되고 있어 건식에 강한 아사히카세이와의 협업을 통해 돌파구를 마련할 방침인 것으로 알려졌다.
중국은 2060년 탄소중립을 선언하고 2030년까지 재생에너지 발전량을 12억kW 이상으로 2020년에 비해 2배 이상 확대하는 것을 목표로 하고 있어 ESS 시장이 연평균 30-40% 성장할 것으로 기대하고 있다.
아사히카세이는 상하이에너지와의 합작투자를 통해 ESS, 전기자동차 시장을 개척해 중국 건식 분리막 시장 점유율을 50%로 끌어올릴 계획이다.

 

SSLM, 아라미드 분리막 3억평방미터 생산
일본 스미토모케미칼(SCC: Sumitomo Chemical)은 한국 자회사인 SSLM 공장에 분리막 표면 도공용 아라미드 수지 생산라인을 건설한다.
아라미드 도공 분리막 생산능력을 현재의 4억평방미터에서 2023년 6억평방미터로 1.5배 확대하며 한국에서 3억평방미터 생산을 결정했다.
스미토모케미칼은 폴리올레핀 베이스에 아라미드 수지로 내열층을 코팅하는 방식으로 아라미드 코팅 분리막을 생산하고 있다. 전기자동차와 스마트폰에 탑재되는 고용량 LiB는 세라믹 코팅 분리막을 주로 사용하고 있으나 아라미드 코팅 분리막은 코팅층이 세라믹보다 얇으면서 세라믹과 동등 이상의 내열성을 부여할 수 있는 것이 특징이다.
세라믹 코팅 분리막의 과제 가운데 하나인 코스트 경쟁력도 철저한 제조 코스트 합리화를 통해 확보하고 있다. 스미토모케미칼은 2021년까지 원료와 제조공정을 재정비함으로써 2017년 대비 약 40%를 합리화하는 것을 목표로 하고 있다.
아라미드 코팅 분리막은 현재 미국 테슬라에 배터리를 공급하는 파나소닉에게 공급하는 등 높은 점유율을 확보하고 있으며 최근 배터리 생산기업의 신증설 투자가 본격화되면서 수요가 증가함에 따라 SSLM 증설을 결정했다.
SSLM에 기존공장과 동일한 신규 공장동을 건설해 아라미드 소재 생산능력을 2배 확대하고 수요기업의 요구에 맞추어 코팅설비도 증설할 계획이다.
스미토모케미칼은 앞으로도 아라미드 코팅 분리막의 뛰어난 내열성을 활용하면서 생산능력 확대 및 합리화를 통해 코스트 경쟁력을 강화해 전기자동차용 수요 확보에 박차를 가할 방침이다.

 

우베맥셀, 건식‧도포형 4억평방미터로 확대
우베코산(Ube Kosan)은 맥셀(Maxell)과 합작한 우베맥셀(Ube Maxell)을 통해 전기자동차용 분리막을 생산하고 있으며 일본 사카이(Sakai) 공장을 중심으로 생산능력 확대에 총력을 기울이고 있다.
2020년 8월 사카이 공장에 원막 생산설비를 도입해 우베(Ube) 공장을 포함 총 3억2000만평방미터 생산체제를 완성했으며 2024년까지 전체 생산능력을 4억평방미터대 초반으로 확대하는 것을 목표로 하고 있다.
우베코산은 지분 66%를 보유한 우베맥셀을 통해 분리막을, 전해액은 미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical)과 합작으로 생산하고 있다.
우베맥셀은 사카이와 우베공장에서 배터리 고출력화에 기여하는 건식 분리막을, 교토(Kyoto)공장에서는 건식 원막에 무기 입자를 코팅해 내열성을 높인 도포형 분리막을 생산하고 있다.
우베맥셀의 분리막은 건식이어서 하이브리드자동차에 주로 채용되고 있으며 요구 성능이 높은 전기자동차와 플러그인하이브리드자동차(PHEV)에도 적용이 가능한 것으로 알려졌다.
최근 세계적으로 전기자동차 전환이 가속화되고 있는 가운데 하이브리드자동차에만 공급해서는 사업 확대가 어렵다는 판단 아래 전기자동차 공세도 강화하고 있다.
우베코산 내부에서 하이브리드자동차 중심으로만 공급하면 2025년에는 2019년 기록한 최대 매출액을 넘어서지 못할 것이라는 위기의식이 확대돼 증설 투자를 결정했고 2026년 이후 수익 기반이 탄탄해질 것으로 기대하고 있다.
우베코산은 LiB 고용량화에 대응할 수 있는 실리콘(Silicone)계 음극재용 PI(Polyimide)계 바인더(접착제)와 신규 음극재인 LTO(티탄산리튬)도 개발하고 있다.

 

3DOM, PI 분리막 적용 본격화
도쿄(Tokyo)도립대 출범 벤처기업 3DOM은 최근 독자적으로 개발한 PI 분리막을 사용해 차세대 LiB와 금속리튬음극전지, 산화물계 고체전지 기술을 확립하고 있다. 금속리튬음극전지는 요소기술을 확립했으며 2-3년 이내에 실용화가 가능할 것으로 기대하고 있다.
3DOM은 독자 개발한 PI 분리막을 사용해 고용량과 안전성을 모두 확립한 차세대 배터리 개발에 집중하고 있다.
PI 분리막은 3차원 규칙 배열의 다공구조를 갖춘 것이 특징이다. 동그란 구멍이 규칙적으로 배열돼 있어 음극에서 석출된 리튬 덴드라이트의 생성을 억제할 수 있으며 PI를 사용함으로써 섭씨 400도에 대한 내열성을 달성했다. 
3DOM은 차세대 LiB 양극재에 올리빈계 소재를 혼합함으로써 양극의 열 폭주를 억제할 수 있을 것으로 예측하고 있다.
니켈‧코발트‧망간(NCM) 비율이 8대1대1인 3원계 하이니켈 양극재에 올리빈계 소재를 사용하면 높은 에너지밀도와 함께 인산철리튬(LFP) 수준의 신뢰성을 얻을 수 있을 것으로 판단하고 있다.
금속리튬음극전지는 LiB보다 2배 이상 고용량화가 가능하지만 금속리튬 음극에서 발생하는 리튬 덴드라이트가 과제가 되고 있다.
3DOM은 금속리튬 음극과 니켈계 양극재를 적용해 압도적인 에너지밀도를 실현할 수 있다고 보고 파트너와 실증실험을 계속 진행하며 3년 안에 실용화하는 것을 목표로 하고 있다.
금속리튬음극전지 실용화에 성공하면 1-2년 후에는 파트너와 함께 산화물계 고체전지에도 투입할 방침이다.
산화물계 고체전지에는 금속리튬 음극 등 에너지밀도 향상이 가능한 소재를 사용하고 금속리튬음극전지와 마찬가지로 리튬 덴드라이트 발생을 억제하기 위해 PI 분리막을 채용할 것으로 알려졌다.
계면 저항을 낮추기 위해 소량의 액체계 첨가물을 활용하는 방안도 검토하고 있으며 넓은 온도 범위에서 사용이 가능하다는 특징을 살린다면 자동차 뿐만 아니라 한랭지역의 수요 확보에도 도움이 될 것으로 기대하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)