안녕하세요. 공대생P입니다. 테슬라 모델 Y에 탑재된 LFP배터리의 저온성능에 대한 이슈가 많이 거론되고 있습니다. 그렇다면 왜 LFP는 저온성능이 좋지 않은지 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.
1. 개요
LFP 배터리라고 불리는 배터리는 리튬인산철(LiFePO4) 소재를 양극재로 사용하는 리튬이온배터리입니다. 현재 전기차 배터리 점유율 1위인 중국에서 주력으로 생산하는 배터리입니다. 리튬인산철 양극재는 구성원소 중 철이 구성되어 있습니다. 철은 지구에 풍부하고 가격이 싸기 때문에 리튬인산철 양극재는 상대적으로 가격이 싼 장점이 있습니다.
최근 LFP배터리를 사용한 전기차의 단점으로 거론되는 것이 저온특성입니다. 논문의 연구결과를 보면서 말씀드리겠습니다.
다음 그래프 (a), (b)는 하프셀을 제작하여 평가한 결과입니다. 양극으로는 리튬인산철(LiFePO4)을 사용하였고, 음극으로는 리튬(Li) 메탈을 사용하였습니다. 왼쪽 (a) 그래프는 상온에서 평가한 결과이며, 오른쪽 (b) 그래프는 상대적으로 낮은 온도인 0도에서 평가한 결과입니다.
리튬이온배터리 : 반쪽셀(Half cell)의 이해와 용도
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해당 그래프 결과로 보았을때, 온도가 높을수록 배터리의 용량이 높은 것을 확인할 수 있습니다. 첫 번째 충방전에서 방전용량에 대한 x값을 비교해 보면 (a)-115mAh/g, (b) 75mAh/g으로 약 40mAh/g의 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었습니다. 그렇다면 이러한 이유는 왜 발생하는 걸까요?
2. 이유
첫번째는 리튬이온의 반응속도와 관계가 있습니다. 리튬이온배터리의 충-방전 메커니즘은 리튬이온의 이동으로 이루어지게 됩니다. 하지만 이온의 확산 및 이동속도는 온도에 크게 영향받게 되므로 온도가 감소하면 리튬이온이 원활하게 이동하지 못하여 용량이 감소하는 결과를 가져옵니다. 그렇다면 왜 여러 양극재 중 LFP가 저온특성에 대해 문제점이 부각되는 걸까요? 그 답은 두 번째 이유에 있습니다.
두 번째는 LFP의 구조적인 특성입니다. 다음 그림은 양극재에서 리튬이 이동할 때의 경로들을 나타낸 그림입니다. 현재 널리 사용되는 양극재들은 층상계(NCM), 올리빈계(LFP), 스피넬계(LMO)가 대표적인 소재들입니다. 하지만 구조적으로 리튬이 배열되어 있는 형태가 다르기 때문에 충전-방전을 통해 리튬이온이 확산될 때 갈 수 있는 길이 각각 다른 특징을 갖고 있습니다.
그 예로 층상계인 NCM양극재는 a, b 2D 구조이기 때문에 두방향으로 갈 수 있는 반면, LFP 양극재는 오직 b 방향으로만 가기 때문에 상대적으로 리튬이 이동하기가 어렵습니다. 결과적으로 날씨가 추운 겨울이 되면 온도에 대한 영향까지 가해져 용량발현이 잘 되지 않는 것입니다.
3. 저온특성 개선을 위한 연구
이러한 문제점을 극복하기 위한 연구가 활발히 진행되어 오고 있습니다. LFP양극재에 코팅을 하는 방법이 활발히 진행되어 오고 있습니다.
위 그래프는 2013년에 세계적인 학술지 'Advanced Energy Materials'에 게재된 논문에서 가져온 연구 결과입니다. 저온특성을 개선하기 위해 리튬인산철 양극재에 리튬확산에 도움을 주는 카본이나 탄소나노튜브(CNT) 소재를 코팅한 사례입니다. -25도 기준으로 코팅을 하지 않은 순수 LFP (53.4%), LFP@C/CNT (71.4%) 비교하였을 때 개선된 용량유지율을 확인할 수 있었습니다.
끝으로 현재 LFP배터리는 상대적으로 NCM소재보다는 출력이나 저온에서 성능이 뒤쳐지는 것은 사실이나 위 연구결과와 같이 소재특성을 개선하거나 차량 자체적으로 배터리 온도를 유지시켜 주는 히트펌프를 추가하는 기술적인 부분이 있습니다. 앞으로도 더 좋은 기술적인 발전을 이루어 전기차 성능이 증가되었으면 좋겠습니다.
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