리튬인산철(LFP) 배터리는 무엇일까?

안녕하세요. 이번 시간에는 리튬인산철(LFP) 배터리의 구조와 특성에 대하여 알아 보고 과연 인산철 배터리는 현재 삼,사원계 배터리를 넘어 자리 잡을 수 있을지에 대하여 알아보는 시간을 가져보겠습니다.


1. 리튬인산철(LFP) 배터리란?

리튬 이온 배터리는 양극재의 소재에 따라 이름이 명명 됩니다. 크게 삼원계(NCM,NCA,…), 사원계(NCMA,…), 인산철(LFP)배터리로 분류되게 됩니다.

삼원계와 사원계 배터리의 경우 리튬코발트산화물(LCO)를 기본으로 양극을 구성하지만 인산철 배터리의 경우 니켈, 코발트 대신 인산철을 첨가하여 LFPO(LiFePO4)로 양극재의 기본이 됩니다.

인산철 배터리 그림
[출처:해시넷]
현재 중국의 CLTL,BYD와 같은 업체가 인산철 배터리 내수 시장부터 외부까지 주도를 하고 있으며, 테슬라가 모델3에 인산철을 적용하게 되면서 더욱 주목을 받게 되었습니다. 하지만 인산철의 역사는 우리가 익숙한 삼원계, 사원계 배터리보다 훨씬 더 오래 되었으며 에너지 밀도의 약점 때문에 중국 이외의 곳에서 외면을 받아 왔었습니다.


2. 특 성

인산철 배터리는 기존 삼원계, 사원계 배터리의 골치 아픈 결함인 발화성 및 폭발성을 뛰어나게 보완하는 배터리 입니다. 반면 무게 또는 부피당 에너지 밀도면에서는 상당히 뒤처지는 모습을 보입니다.

NCA 배터터리와 전기차 주행거리 부분에서 에너지 밀도를 비교 해보면 아래와 같은 결과가 나왔습니다.

NCA 와 LFP 비교
[출처:배터리 인사이드]
하지만 에너지 밀도를 제외 하면 장점이 수많은 배터리 입니다. 충방전 싸이클이 3,000회 이상으로 내구성이 뛰어나며, 화학 구조는 올리빈 구조로 안정적인 구조로 이루어져 있습니다. 또한 발열이 거의 없어 삼,사원계 배터리에 비해 온도 특성도 뛰어난 편입니다.

인산철 배터리의 공칭 전압은 3.2V로 기존 삼,사원계 배터리보다 낮은 영역에 전위가 형성 되어 있습니다. 완전 방전 전압은 2.0V~2.5V, 완전 충전 전압은 3.6~3.8V로 제조 업체의 양극과 음극 및 전해질에 따라 약간의 차이가 존재합니다. 충방전 특성 곡선 또한 사용 구간이 거의 일정하여 전압만으로 배터리의 SOC를 판단하기에는 어려운 점도 존재합니다.

인산철 방전 곡선


3. 인산철은 배터리 시장을 점유 할까?

이와 관련 해서는 수많은 의견이 갈립니다. 왜냐하면 리튬 베이스 배터리만을 놓고 보는게 아니라 이 외에도 여러 종류의 배터리가 연구되고 있기 때문입니다. 수소 등 연료 전지와 리튬 베이스에서도 리튬황전지 또는 여러 가지의 전고체 전지등 우리가 접하지 못했던 배터리들이 약 20년 전부터 활발히 연구되어 오고 있습니다.

그리고 삼원계, 사원계 배터리와 인산철 배터리는 사용되는 시장이 많이 갈리기 때문에 단호하게 어떠한 배터리가 앞으로 주를 이룰 것이다 라고 보기보단 각자의 위치에서 조금씩 더 발전 된 형태의 배터리로, 성장 할 것으로 생각 됩니다.

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