안녕하세요. 공대생P 입니다. 세계 최대 전기차 회사인 테슬라 및 여러 전기차 회사들의 리튬인산철(LFP) 배터리 채택으로 인해 저가형 리튬이온배터리의 관심이 높아지고 있습니다. 그렇다면 LFP 배터리가 선택받은 배경인 장점을 설명하고 한계점인 단점에 대해 말씀드리겠습니다.
1. 소개
리튬인산철배터리는 화학구조식으로 LiFePO4로 명명되며 리튬(Li), 철(Fe) 그리고 인산(PO4)으로 이루어져 있습니다. 구성하는 물질들의 앞글자만 따서 LFP배터리라고 불리는 리튬이온배터리 중 하나입니다. 리튬이온배터리는 리튬이온의 이동을 통해 전기화학적으로 구동되는 배터리입니다. LFP는 대부분의 CATL과 같은 중국 업체에서 주력으로 생산하고 있습니다.
리튬이온배터리의 작동원리 설명 (충전과 방전)
리튬이온배터리의 작동원리 설명 (충전과 방전)
세계적인 전기차 회사 테슬라의 등장으로 인해 전기차의 시대가 시작되었고, 동력원인 리튬이온 배터리가 엄청난 관심과 주목을 받고 있다. 전기차의 핵심부품인 배터리, 현재 상용으로 사용되
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위 그래프는 리튬인산철(LFP) 양극재의 Half cell의 그래프입니다. 위 그림을 통해 LFP 양극재의 충전-방전시 용량 및 작동전압등에 대해 알 수 있습니다. 방전시 용량이 120mAh/g 이며 충전시 3.3V에서 plateau를 나타내며 방전시 3.2V 범위에서 plateau를 보여주고 있습니다. 배터리의 Voltage profile이나 Half cell에 대한 개념을 이해하기 어려우시면 아래 링크를 참고 부탁드립니다.
리튬이온배터리 Voltage profile 이해 : 용량(Capacity), 전압(Voltage), C-rate
리튬이온배터리 : 반쪽셀(Half cell)의 이해와 용도
2. 장점
구조적안정성(Stability)
인산철배터리는 다른 양극재 소재(NCM, LMO etc)에 비해 구조적 안정성이 우수합니다. 현재 고에너지밀도로 사용되는 NCM, NCA 계열의 양극재는 층상구조로 이루어져 있습니다. 먼저 상대적으로 안정성이 떨어지는 NCM양극재의 구조에 대해 알아보겠습니다. NCM양극재는 층상구조를 갖고 있습니다. 전이금속(Ni, Co, Mn)등으로 이루어진 Layer 사이에 리튬이온이 삽입되어 있고, 배터리 충전-방전 시 리튬이온이 빠져나가거나 빠져나갔던 리튬이온이 다시 삽입되는 구조입니다. 하지만 이러한 층상구조의 경우, 리튬이온이 빠져나가게 되면, 빈 공간이 생기게 되고 결과적으로 구조가 불안정해지는 문제점이 있습니다.
반대로 리튬인산철배터리의 구조를 살펴보겠습니다. 인산철배터리는 올리빈(Olivine) 구조를 포함하고 있습니다. 올리빈 구조는 아래 그림과 같이 이루어져 있고, 결정의 빈 공간에 리튬이온이 삽입되어 있는 형태를 띠고 있습니다. 이러한 구조를 갖는 양극재를 사용하여 배터리에 적용할 경우, 충전과정에서 리튬이온이 빠져나감으로 인해 빈 공간이 발생하여도 구조적으로 안정한 형태를 유지합니다. 따라서 상대적으로 양극재의 구조적 안정성이 높기 때문에 배터리의 주된 문제인 화재위험성이 낮은 장점이 있습니다.
가격(Cost)
또 다른 장점은 가격이 매우 저렴하다는 것이 장점입니다. 풍부한 원소 중 하나인 철 (Fe)과 인산(PO4)이 전극에 포함되어 있기 때문에 다른 전극 소재들에 비해 가격이 저렴합니다. NCM 양극재의 경우 희소금속인 코발트 (Co)를 함유하고 있어서 상대적으로 가격이 비싸기 때문에 LFP 배터리는 저에너지밀도의 저가형 전기차에 집중적으로 적용되고 있습니다.
3. 단점
낮은 에너지밀도(Energy density)
리튬인산철배터리의 큰 단점은 에너지밀도가 낮다는 것입니다. 에너지밀도 = 용량(mAh) x 전압(V) 에너지밀도는 다음과 같은 공식으로 계산됩니다. 전기차 배터리의 주요 스펙인 주행거리가 높으려면 에너지밀도가 높아야 하는데, NCM811 배터리는 198mAh/g의 용량을 갖는 반면 인산철배터리는 150mAh/g의 상대적으로 낮은 용량을 보유하고 있습니다. 또한 작동 전압이 NCM배터리의 경우 3.7V이지만, LFP는 3.2V의 작동전압을 갖기 때문에 전압면에서도 부족한 에너지 밀도를 보유하고 있습니다.
이번 글에서는 LFP 배터리에 대해 알아보았습니다. LFP 배터리는 현재 중국배터리 업체들이 주력으로 사용하는 배터리입니다. 앞에 설명한 것처럼 가격이 싸고 안정성이 비교적 안전하기 때문인데요. 하지만 고질적인 문제점인 에너지밀도에 개선에는 소재 측면의 한계가 존재하고 있습니다. 하지만 전기차 선두업체인 테슬라가 선택했다는 점에 있어서, 저가형 전기차에 탑재되어 사용될것으로 예상됩니다. 생산단가를 더욱 낮춰 전기차 전환율이 더 빠르게 가속화되었으면 좋겠습니다. 이상으로 글을 마치겠습니다.
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