리튬인산리튬 배터리

테슬라는 2021년 3분기 보고서에서 자사 차량에 LiFePO4 배터리를 새로운 표준으로 도입한다고 발표했습니다. 그렇다면 LiFePO4 배터리는 정확히 무엇일까요?

미국 뉴욕, 2022년 5월 26일 /EINPresswire.com/ — 이 배터리들은 리튬 이온 배터리보다 더 나은 대안일까요? 다른 배터리와 어떤 점이 다를까요?

LiFePO4 배터리 소개

리튬인산철(LFP) 배터리는 충전 및 방전 속도가 빠른 리튬 이온 배터리입니다. LiFePO4를 양극으로, 금속 지지대가 있는 흑연 탄소 전극을 음극으로 사용하는 충전식 배터리입니다.

LiFePO4 배터리는 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 낮고 작동 전압도 낮습니다. 방전율이 낮아 전압-전류 곡선이 수평에 가깝고 리튬 이온 배터리보다 안전합니다. 이 배터리는 리튬 인산철 배터리라고도 합니다.

리튬인산리튬(LiFePO4) 배터리의 발명

LiFePO4 배터리는 존 B. 구드너프와 아루무감 만티람이 발명했습니다. 이들은 리튬 이온 배터리에 사용되는 재료를 최초로 규명한 사람들 중 하나였습니다. 음극 재료는 단락이 쉽게 발생하는 경향이 있어 리튬 이온 배터리에 이상적이지 않습니다.

과학자들은 리튬 이온 배터리 양극재에 비해 새로운 양극재가 더 우수하다는 것을 발견했습니다. 특히 LiFePO4 배터리에서 이러한 차이가 두드러지게 나타납니다. 이 소재는 안정성과 전도성을 향상시키고 다양한 측면에서 개선 효과를 보여줍니다.

오늘날 LiFePO4 배터리는 우리 주변 곳곳에서 찾아볼 수 있으며, 보트, 태양광 시스템, 차량 등 다양한 분야에 사용됩니다. LiFePO4 배터리는 코발트가 함유되지 않아 대부분의 다른 배터리보다 가격이 저렴합니다. 또한 무독성이며 보관 수명도 더 깁니다.

LFP 배터리 사양 -

LFP 배터리에서 배터리 관리 시스템의 기능

LFP 배터리는 단순히 연결된 셀들의 집합체 그 이상입니다. 배터리가 안전한 범위 내에서 작동하도록 보장하는 시스템을 갖추고 있습니다. 배터리 관리 시스템(BMS)은 작동 조건에서 배터리를 보호, 제어 및 모니터링하여 안전성을 확보하고 배터리 수명을 연장합니다.

LFP 배터리에서 배터리 관리 시스템의 기능 -

리튬인산철 전지는 내구성이 더 뛰어나지만, 충전 중 과전압이 발생하기 쉬워 성능이 저하될 수 있습니다. 양극재가 시간이 지남에 따라 열화되어 안정성을 잃을 수도 있습니다. 배터리 관리 시스템(BMS)은 각 전지의 출력을 조절하여 배터리의 최대 전압을 유지합니다.

전극 재료가 열화됨에 따라 저전압 문제가 심각해집니다. 어떤 셀의 전압이라도 지정된 임계값 아래로 떨어지면 BMS(배터리 관리 시스템)는 해당 배터리를 회로에서 분리합니다. 또한 과전류 발생 시에도 안전장치 역할을 하며 단락 발생 시에도 작동을 차단합니다.

LiFePO4 배터리 vs. 리튬 이온 배터리

LiFePO4 배터리는 시계와 같은 웨어러블 기기에는 적합하지 않습니다. 다른 리튬 배터리에 비해 에너지 밀도가 낮기 때문입니다. 하지만 태양열 에너지 시스템, 캠핑카, 골프 카트, 낚시 보트, 전기 오토바이에는 최적의 선택입니다.

★이 배터리의 주요 장점 중 하나는 수명 주기가 길다는 것입니다.

이 배터리는 다른 배터리보다 수명이 4배 이상 깁니다. 또한 더 안전하며 최대 100% 방전까지 가능하므로 더 오랜 시간 동안 사용할 수 있습니다.

다음은 이러한 배터리가 리튬 이온 배터리보다 더 나은 대안인 추가적인 이유입니다.

★저렴한 가격

LFP 배터리는 대규모로 채굴되는 철과 인으로 구성되어 있으며 가격이 저렴합니다. LFP 배터리의 가격은 니켈 함량이 높은 NMC 배터리보다 kg당 최대 70% 낮은 것으로 추정됩니다. 이러한 화학적 조성 덕분에 가격 경쟁력을 확보할 수 있었습니다. 2020년에는 LFP 배터리 셀 가격이 사상 최저치인 100달러/kWh 아래로 떨어졌습니다.

★환경에 미치는 영향이 적음
LFP 배터리는 고가이며 환경에 큰 영향을 미치는 니켈이나 코발트를 함유하지 않습니다. 또한 충전이 가능하여 친환경적입니다.

★향상된 효율성 및 성능
LFP 배터리는 긴 수명 주기로 유명하며, 장기간 안정적이고 일관된 전력 출력이 필요한 용도에 널리 사용됩니다. 이 배터리는 다른 리튬 이온 배터리에 비해 용량 손실률이 낮아 장기간 성능을 유지하는 데 도움이 됩니다. 또한 작동 전압이 낮아 내부 저항이 적고 충방전 속도가 빠릅니다.

★향상된 안전성 및 안정성
LFP 배터리는 열적, 화학적으로 안정적이어서 폭발이나 화재 발생 가능성이 낮습니다. LFP는 니켈 함량이 높은 NMC에 비해 발열량이 6분의 1에 불과합니다. LFP 배터리의 코발트-산소 결합은 더 강하기 때문에 단락이나 과열 시 산소 원자 방출 속도가 더 느립니다. 또한, 완전히 충전된 셀에는 리튬이 남아 있지 않으므로 다른 리튬 전지에서 발생하는 발열 반응에 비해 산소 손실에 대한 저항성이 매우 높습니다.

★작고 가벼움
LFP 배터리는 리튬 망간 산화물 배터리보다 약 50% 가볍습니다. 또한 납축전지보다 최대 70% 가볍습니다. 차량에 LiFePO4 배터리를 사용하면 연료 소비를 줄이고 기동성을 향상시킬 수 있습니다. 크기가 작고 컴팩트하여 스쿠터, 보트, RV 또는 산업 현장에서 공간을 절약할 수 있습니다.

LiFePO4 배터리 vs. 비리튬 배터리
비리튬 배터리는 여러 장점이 있지만, 기존 기술은 비용이 많이 들고 효율이 떨어지기 때문에 새로운 LiFePo4 배터리의 잠재력을 고려할 때 중기적으로 교체될 가능성이 높습니다.

☆납산 배터리
납축전지는 처음에는 비용 효율적인 것처럼 보일 수 있지만, 장기적으로는 더 비싸집니다. 이는 납축전지가 더 잦은 유지보수와 교체가 필요하기 때문입니다. 반면, 리튬인산칼륨(LiFePO4) 배터리는 유지보수가 필요 없이 2~4배 더 오래 사용할 수 있습니다.

☆젤 배터리
리튬인산칼륨(LiFePO4) 배터리와 같은 젤 배터리는 자주 충전할 필요가 없으며 보관 중에도 전하량이 손실되지 않습니다. 하지만 젤 배터리는 충전 속도가 느립니다. 또한 완전히 충전되면 손상을 방지하기 위해 즉시 전원을 차단해야 합니다.

☆AGM 배터리
AGM 배터리는 용량이 50% 미만으로 떨어지면 손상될 위험이 높은 반면, LiFePO4 배터리는 완전히 방전시켜도 손상될 위험이 없습니다. 다만, LiFePO4 배터리는 용량을 일정하게 유지하기가 어렵습니다.

LiFePO4 배터리의 응용 분야
LiFePO4 배터리는 다음과 같은 다양한 유용한 응용 분야에 사용됩니다.

●낚시 보트 및 카약: 충전 시간 단축과 사용 시간 연장으로 물 위에서 더 많은 시간을 보낼 수 있습니다. 가벼운 무게로 조작이 더욱 쉬워지고, 긴장감 넘치는 낚시 대회에서 속도를 높이는 데 도움이 됩니다.

● 전동 스쿠터 및 모페드: 무게 때문에 속도가 느려지는 일이 없습니다. 배터리를 완전히 충전하지 않고도 갑작스러운 외출 시 손상을 방지할 수 있습니다.

●태양광 구성: 가벼운 LiFePO4 배터리를 휴대하여 (산이나 오지에서도) 태양 에너지를 활용할 수 있습니다.

●상업용: 이 제품은 가장 안전하고 내구성이 뛰어난 리튬 배터리로, 바닥 청소기, 리프트게이트 등과 같은 산업용 장비에 이상적입니다.

또한 리튬인산철 배터리는 손전등, 전자담배, 라디오 장비, 비상 조명 등 다양한 기기에 전력을 공급합니다.

대규모 LFP 구현 가능성
LFP 배터리는 다른 배터리에 비해 가격이 저렴하고 안정성이 뛰어나지만, 에너지 밀도가 광범위한 보급을 가로막는 주요 장벽이었습니다. LFP 배터리는 에너지 밀도가 15~25%로 매우 낮습니다. 하지만 상하이에서 생산되는 모델 3처럼 전극을 더 두껍게 만들면 이러한 문제가 개선될 수 있으며, 모델 3는 리터당 359Wh의 에너지 밀도를 달성했습니다.

LFP 배터리는 수명이 길기 때문에 동일한 무게의 리튬 이온 배터리보다 용량이 더 큽니다. 이는 시간이 지남에 따라 이 두 배터리의 에너지 밀도가 더욱 비슷해질 것임을 의미합니다.

대중화를 가로막는 또 다른 장벽은 중국이 수많은 LFP 특허를 보유하여 시장을 장악해 왔다는 점입니다. 이러한 특허가 만료됨에 따라 자동차 제조처럼 LFP 생산도 현지화될 것이라는 예측이 나오고 있습니다.

포드, 폭스바겐, 테슬라와 같은 주요 자동차 제조업체들은 니켈이나 코발트 기반 배터리를 대체하는 기술을 점점 더 많이 활용하고 있습니다. 테슬라가 최근 분기별 실적 발표에서 밝힌 내용은 시작에 불과합니다. 테슬라는 에너지 밀도와 주행 거리가 향상된 4680 배터리 팩에 대한 간략한 업데이트도 제공했습니다. 또한, 테슬라는 더 많은 셀을 집적화하고 에너지 밀도를 낮추기 위해 "셀 투 팩(cell-to-pack)" 방식을 사용할 가능성도 있습니다.

오래되었음에도 불구하고,LFP배터리 비용 절감은 전기차 대중화를 가속화하는 데 매우 중요할 수 있습니다. 2023년까지 리튬 이온 배터리 가격은 kWh당 100달러에 근접할 것으로 예상됩니다. 리튬 폴리머 배터리(LFP)를 사용하면 자동차 제조업체는 가격뿐만 아니라 편의성이나 충전 시간과 같은 요소를 강조할 수 있습니다.