리튬 인산철 배터리

리튬인산철 배터리

리튬인산철 배터리 각형

리튬인산철 전지

리튬 인산철 배터리(LiFePO₄ battery, LFP battery, lithium iron phosphate battery, 磷酸铁锂电池)는 리튬인산철을 사용하는 리튬이온 배터리의 일종이다. LFP(엘에프피) 배터리라고도 한다. 전체 용량의 90%까지 방전 후에도 1,000회 이상 재충전이 가능한 배터리이다. 리튬인산철이 삼원계 배터리와 비교해 니켈, 코발트가 필요 없고 상대적으로 가격이 저렴하며 리튬인산철은 산화철을 양극재로 쓴다.

충전 과정에서 리튬인산철의 리튬 이온 일부가 빠져나와 전해질을 통해 음극으로 전달되어 음극 탄소 재료에 삽입된다. 동시에 양극에서 전자가 방출되어 외부회로에서 음극에 도달해 화학 반응의 균형을 유지한다. 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 빠져나와 전해질을 통해 양극에 도달하는 동시에 음극은 전자를 방출하고 외부 회로에서 양극에 도달하여 외부에 에너지를 공급한다.

리튬인산철 배터리는 CATL, BYD와 같은 중국 업체가 주도하고 있다. 테슬라가 모델3에 리튬인산철 배터리를 채용하면서 성장에 속도가 붙었다.

1 개요
2 리튬인산철 규격
3 리튬인산철 용도
4 리튬인산철의 특성
5 LiFePO ₄배터리구조와 작동원리
- 5.1 작동
- 5.2 충방전 과정
6 장점
7 단점
8 중국의 리튬 인산철 배터리 개발 및 적용
- 8.1 리튬인산철 배터리 사용 전기차
9 동영상
10 참고자료
11 같이 보기

개요[편집]

리튬인산철 배터리는 기존의 Li-Co, Li-Mn계 배터리가 가지고 있는 결함인 발화성 및 폭발성의 위험을 해결하기 위해 양극에 리튬인산철(LiFePO ₄)을 적용한 전지이다. 단일 셀로는 20~700Ah까지 생산이 가능하고 높은 정격전압(3.2V), 높은 에너지 밀도, 우수한 충,방전 특성을 가지고 있다. 3,000회 이상에 달하는 충방전 내구수명을 가지며 유해 중금속(Pb, Cd, Hg등)을 함유하지 않는 친환경 제품이다. 전해질은 이온 전해질을 사용하여 충전 효율도 최대화 하였다. 리튬 인산철 배터리의 화학구조는 올리빈 구조로 매우 안정적인 구조를 가진다. 그렇기에 리튬의 경로 이동이 쉽고 열정적으로도 매우 안정적이어서 외부 불순물과 합성되어 다른 변형된 형태로 쉽게 왜곡 되지 않으며 2차 가공에 용이하다. 직류 측 입력 변동이 작아서 PCS 설계가 용이하고 전체적으로 EES 절연전압도 낮출수 있는 효과가 있다. 또한 온도 특성이 매우 좋아 자체 발열이 거의 없어서 주위온도에 영향을 주지 않는다.

리튬 인산철 배터리는 탁월한 안정성을 가지고 있으며 자가 방전율과 에너지 손실률이 매우 낮아 효율이 뛰어나다. 다른 양극 물질과 비교해도 가격 경쟁력, 뛰어난 안정성, 성능, 그리고 안정적인 작동 성능을 확보하였다.

리튬인산철 규격[편집]

LiFePO ₄배터리의 공칭 전압은 3.2V이고 종단 충전 전압은 3.6V이며 종단된 방전 전압은 2.0V이다. 다양한 제조업체가 사용하는 양극, 음극 및 전해질 소재의 품질과 공정이 다르기 때문에 성능이 다소 다르다. 예를 들어 동일한 유형의 용량(동일한 패키지의 표준 배터리)은 큰 차이가 있다.

리튬인산철 용도[편집]

전기자동차용 배터리와 같은 2차전지와 전동공구, RC, 골프카, 캠핑카, 전동오토바이, 산업용기기, 하이브리드 자동차에도 많이 사용되며 대용량과 안정성을 동시에 확보하였다.

리튬인산철의 특성[편집]

리튬 인산철 배터리는 화학적으로 극히 안정되고 값싼 인산철을 사용하여 경제적이다. 리튬 인산철 배터리는 과열, 과충전 상황에도 폭발할 가능성이 적다. 주로 중국에서 독보적 기술과 양산성을 확보한 리튬 인산철 배터리는 원자재 공급이 안정적이라 기존의 납축전지를 대체할 가능성이 있어 보인다. 이에 따라 현재 한국 캠핑 매니아 및 자동차 매니아를 중심으로 제2의 전지로 중국의 리튬 인산철 배터리를 많이 장착하여 기존의 납 배터리의 대용으로 사용되고 있다. 그러나 중국 정부에서도 리튬 인산철 배터리의 안전성을 재평가하려고 할 정도로 화재사고가 자주 발생했다. 2020년에는 고속충전 시 고전류가 유입되면 다른 리튬코발트, 리튬망간 배터리와 마찬가지로 배터리 표면온도가 100℃ 이상으로 상승하면서 열폭주가 일어나며, 이로 인해 화재로 이어진다는 한국화재보험협회와 가천대학교의 공동연구 결과가 발표되었다. (DOI: https://doi.org/10.7731/KIFSE.bf002ba0)

LiFePO ₄배터리구조와 작동원리[편집]

LiFePO ₄배터리의 내부 구조는 왼쪽에는 올리빈 구조의 LiFePO ₄가 배터리의 양극으로 나타난다. 알루미늄 호일은 배터리의 양극에 연결된다. 중간은 폴리머 분리막이다. 그것은 양극과 음극을 분리하지만 리튬 이온 Li⁺는 통과할 수 있고 전자 e⁻는 통과할 수 없다. 우측은 카본(흑연)으로 구성된 배터리 음극이 구리 호일에 의해 배터리의 음극에 연결된다. 배터리의 상부 및 하부 단부 사이에는 배터리의 전해질이 있으며 배터리는 금속 케이스에 의해 밀폐된다.

작동[편집]

LiFePO ₄배터리의 구조는 양극으로 알루미늄 호일은 전지의 양극에 연결되어 있고 왼쪽에는 양극과 음극을 분리하는 고분자 다이어프램이 있으나 리튬이온 Li⁺는 통과할 수 있고 전자 e⁻는 통과할 수 없으며 오른쪽은 탄소 포지티브 전극으로 이루어져 있으며 이는 배터리의 음극에 동박으로 연결되어 있다. 배터리의 상부 및 하부 단부 사이에는 배터리의 전해질이 있으며 배터리는 금속 케이스에 의해 밀폐된다.

충방전 과정[편집]

리튬인산철 배터리 충방전 과정

LiFePO ₄양극, 음극 및 배터리는 알루미늄 호일, 리튬이온의 양극과 음극을 분리하는 중간 중합체 격막으로 연결되지만 리튬은 전자를 통해 전자를 통과할 수 없으며 오른쪽은 탄소 배터리 음극, 양극 및 배터리는 구리호일로 연결된다. 배터리의 상단과 하단 사이에는 배터리의 전해지리 있으며 배터리는 금속 인클로저로 둘러싸여 있다.

리튬인산철 배터리 구성

리튬인산철 배터리의 충방전 반응은 LiFePO ₄와 FePO ₄ 두 가지 사이에서 진행된다. 충전 과정에서 LiFePO₄는 점차 리튬이온을 내보내 FePO₄가 되고, 방전 과정에서 리튬이온이 FePO₄에 들어가 LiFePO4가 된다. LiFePO ₄배터리가 충전되면 리튬이온은 인산철리튬 결정체에서 결정체 표면으로 옮겨 전기장력의 작용으로 전해액을 통해 분리막을 뚫고 다시 전해액을 거쳐 흑연 결정체의 표면으로 옮겨진후 흑연격자속에 들어간다. 이와 동시에 전자는 전도체를 통해 양극으로 흐르는 알루미늄호일 컬렉터, 탭, 배터리 양극 터미널, 외부 회로, 음극 터미널, 음극 탭을 흘러 전지의 음극으로 흐르는 동박 컬렉터를 거쳐 다시 전도체를 거쳐 흑연 음극으로 흘러가 음극의 부하가 균형을 이루게 된다. 리튬이온이 리튬인산철에서 빠져나와 리튬인산철은 인산철로 변환한다.

배터리가 방전될 때 리튬이온은 흑연 결정체에서 빠져나와 전해액으로 들어간 후 분리막을 뚫고 전해액을 거쳐 리튬인산철 결정의 표면으로 옮겨진 후 다시 리튬인산철 격자 안에 박힌다. 이와 동시에 전자는 전도체가 음극으로 흐르는 동박 컬렉터를 거쳐 탭, 배터리 음극 터미널, 외부 회로, 양극 터미널, 양극 탭에서 배터리의 양극으로 알루미늄 호일 컬렉터를 거쳐 전기체를 거쳐 리튬인산철 양극으로 흘러가 양극의 부하가 균형을 이루게 된다. 리튬 이온이 인산철 결정체에 박힌 후 인산철은 리튬인산철로 변환한다.

리튬인산철 배터리 작동원리

장점[편집]

무게가 가볍다 : 같은 100A 용량의 딥사이클 SLA 배터리의 경우 27~8kg 정도, Flooded나 AGM은 30~33kg 정도 하는 것에 비해, 60% 이상 무게가 가볍습니다. 또한 실질적으로 사용용량이 같은 용량 대비 훨씬 크기 때문에 실제로 절감되는 사용중량은 80% 이상 가볍다고 볼 수 있다.

수명이 길다 : 일반적인 딥사이클배터리의 경우, 자기용량의 50%까지 방전 후 재충전 반복횟수가 400~500회 정도 되는데, 리튬인산철배터리는 자기용량의 90%까지 방전 후 재충전 반복횟수가 1500회 이상으로 납산 배터리에 비해 3배 이상 수명이 길며, 1500회 이상 충방전 후에도 최초 성능용량의 80% 이상을 유지한다. 예를들어 100A 배터리를 1500회 충방전 시키고 나면, 용량이 80A정도로 줄어든다.

안전하다 : 납산배터리는 과충전이나 과방전시 수소가스가 새어나오는 위험성이 있고, 고온이나 저온 환경에서 성능이 급격히 떨어진다. 리튬이온이나 리튬폴리머 배터리는 과충전이나 과방전시 불이나는 수준의 급격한 온도상승과 폭발현상이 발생할 수 있어 매우 위험하다. 그러나, 리튬인산철배터리는 과방전,과충전시 폭발하지 않고(내부적으로만 손상됨), 강한 외부 충격이나 고온, 화재에도 폭발하거나 가스를 내뿜지 않는다. 리튬인산철 배터리는 60~70도 정도의 환경에서 오히려 공칭용량보다 10% 정도 더 많은 에너지를 안정적으로 방전시킨다. 현재까지 상용화된 배터리 중 가장 안전성이 우수한 배터리가 LiFePO4 배터리라고 할 수 있다.

에너지밀도가 높다: 리튬인산철 배터리는 납산배터리에 비해 무게당 에너지밀도가 2배가량 높고, 리튬이온배터리는 리튬인산철배터리보다 에너지밀도가 1.5배 더 높다. 상용화된 배터리 중 가장 에너지밀도가 높은 배터리는 리튬이온배터리이긴 하나, 리튬인산철 배터리는 그만큼 에너지밀도가 높진 않지만, 수명이 3배 가까이 더 길고, 사용상 위험성이 없다는 장점이 있다.

실제 출력에너지가 더 많다 : 100A 12V 납산배터리와 100A 12.8V 리튬인산철배터리를 비교하면, 납산배터리는 완충 후 배터리 손상이 안가는 정도까지(12.0V까지) 방전시 출력되는 에너지가 600Wh 정도이다. 리튬인산철배터리는 1050Wh 정도로 거의 두배가량 많으며, 9V까지 내려가도 배터리가 손상되지 않으며, 이때까지 출력시엔 1150Wh 정도를 사용할 수 있다. 즉, 60kg 무게의 200A 딥사이클 납산배터리를 13kg의 110A 리튬인산철 배터리로 대체해도 사용 가능한 전력은 동일하다.

낮은 자가방전율 : 납산 배터리는 월 5~20%의 자가방전이 되며, 리튬인산철배터리는 월 1%의 자가방전이 된다. 즉, 납산배터리는 완충 후 6~12개월동안 재충전을 하지 않으면, 배터리가 자연방전되어 영구적인 손상을 입지만, 리튬인산철 배터리는 1년간 충전 안해도 85% 정도의 용량을 유지하고, 손상되지 않는다.

방전특성이 좋다 : 납산배터리는 지속방전시 배터리가 손상될 수 있지만, 순간 방전량은 많은 자동차 시동용 배터리와 순간 방전량이 적더라도 지속 방전이 가능한 딥사이클배터리로 제품이 구분되지만, 리튬인산철 배터리는 지속방전 특성과 순간방전능력 모두 납산배터리보다 훨씬 뛰어나다.

유지보수 불필요: 배터리 컨디셔닝이나 Flooded 납산배터리처럼 정기적으로 증류수 보충 등의 정기적인 유지보수가 수명주기 내에서 필요 없다.

안정적인 작동전압 : 모든 배터리(납축전지, 니켈전지, 타 리튬전지)는 사용 중에 작동전압 강하가 심하게 나타나는데 리튬인산출은 전압강하가 아주 완만하여 타 배터리 대비 가장 안정적인 작동성능을 나타낸다.

친환경 그린제품 : 납, 황산, 니켈, 카드뮴 등의 유해 독성물질이 전혀 없는 친환경 제품이며 환경보호에도 적합한 녹색상품으로 최근 들어 환경문제가 심각하게 대두되어 기존 납산 배터리의 대체가 필요하다.

단점[편집]

기전압이 기존 리튬 코발트 배터리의 3.7V보다 0.3V 정도 낮은 3.4Vek. 리튬이온이나 리튬폴리머 전지보다 에너지밀도가 낮다. 그리고 리튬 폴리머 배터리만큼 디자인 편의성이 덜어진다. 한국과 일본이 선점한 리튬이온 배터리에 비하면 무겁고 다소 성능은 떨어진다. 그러나 동급의 리튬이온 전지 대비 약 30% 저렴해 아주 우수한 가격 경쟁력을 보유하고있다.
납산배터리보다 에너지 용량당 가격이 비싸다. 그러나 이것도 3배 긴 수명과 1.8배 더 많은 실질 출력 전력량을 고려하면 큰 단점은 아니다.

중국의 리튬 인산철 배터리 개발 및 적용[편집]

중국은 2000년대 부터 리튬인산철을 개발하기 시작하여 중국에서 생산되는 전기자동차 시장에 저렴하고 안정성이 있는 리튬 인산철 배터리를 대중적으로 적용하였다. 자동차 업계는 중국의 BYD와 체리자동차에 리튬인산철 배터리를 사용하고 있다. 최근 2020년 중국의 테슬라는 중국 전기자동차 시장에서 가격 경쟁력 확보 차원에서 리튬인산철을 테슬라 모델에 적용할 계획을 세우고 있다. 이와 더불어 중국에서 가장 많이 쓰이는 리튬이온 배터리는 전기스쿠터이다. 중국산 전기스쿠터는 대부분 리튬이온 배터리를 채택하고 있다.