리튬인산철

리튬인산철(磷酸铁锂, Lithium Iron Phosphate, LiFePO ₄, LFP)은 리튬 인산철 배터리 양극 소재로 화학식은 LiFePO₄이다. LFP는 LCO에서 코발트 대신 인산철이 들어간 LFPO 구성으로, FPO로도 불리는 양극재다. 중국의 대표적인 배터리 업체 CATL이 LFP 배터리에 주력하고 있으며, 테슬라에 전기차용 배터리로 공급하고 있기도 하다. LFP의 경우 구성에서 알 수 있듯이 코발트와 니켈 등 고가 금속들이 아예 들어가지 않기 때문에, 코발트나 니켈을 포함한 다른 양극재들과 비교해 가격적 매력이 매우 높다. 또한 올리빈(Olivine) 구조를 가지고 있어 안전성 확보가 쉬워 차량용 2차전지에 활용하기에도 기술적 난도가 낮은 편이다. 이 같은 이유들로 중국 배터리 업체들은 주로 LFP 배터리를 생산하고 있기도 하다.

LFP의 가장 큰 장점인 안정적인 구조는 수백 싸이클이 지나도록 배터리 용량의 감소가 일어나지 않게 끔 한다. 그러나 방전전압이 3.4V로 낮고 재연성을 지닌 물성을 얻기 까다롭다는 점이 대량 생산에 있어서 극복 요소로 되어 있다. 또한, LFP는 전기전도도가 낮아 양극재로 사용하기 위해서는 탄소코팅이 필수적으로 이루어져야 한다. 탄소코팅 이후의 LFP 전기전도도는 10-5~6s/㎝ 정도로 알려져 있어 아직 여전히 전도도가 낮으므로 전극 제조 시 전기전도도를 보상하기 위하여 도전제의 양을 늘려야 하고, 이 결과 전극의 부피 밀도가 낮아지게 된다. LFP의 전기 전도도를 끌어 올리는 것이 무엇보다도 중요한 당면 과제라고 볼 수 있겠다.

LFP는 1900년도 후반에 텍사스 주립대학교의 교수인 존 굿이너프(John B. Goodenough)에 의해서 발명되었다. 굿이너프 교수는 LFP 원천특허 2건을 보유하고 있으며, 상용화 연구를 계속 추진하여 다양한 응용 특허들을 계속 출원하고 있다. 기타 캐나다 및 유럽의 몇몇 기업을 중심으로 LFP에 대한 실용화 기술에 대한 R&D가 계속 추진 되어왔다.

리튬 인산철 배터리

리튬 인산철 배터리(LFP)는 기존의 리튬-코발트(Li-Co), 리튬-망가니즈(Li-Mn) 계열의 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 자가 방전율이 높은 단점이 있지만 다른 양극 물질과 비교해도 가격 경쟁력, 뛰어난 안정성, 성능, 그리고 안정적인 작동 성능을 확보하였다.

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 전기 자동차 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.

최근에는 테슬라 모델Y '스탠다드 레인지'가 CATL의 리튬인산철 배터리를 채용했으며, 주행가능거리는 525km로 먼저 출시된 '롱 레인지'보다 70km 짧고 제로백(시속 100km까지 가속하는 데 걸리는 시간)은 0.6초 늘어난 5.6초다. 하지만 가격이 '롱 레인지'의 34만7900위안(약 6090만원)보다 1260만원 저렴하기 때문에 폭발적 인기를 얻고 있다.

참고자료

• 〈磷酸铁锂〉, 《百度百科》
• 박민규 기자, 〈(ER궁금증) 이차 전지의 핵심, 양극재는 무엇?〉, 《이코노믹리뷰》, 2020-10-03
• SNE리서치, 〈리튬인산철(LFP) 배터리는 특허 지뢰밭인가?〉, 《네이버 블로그》, 2013-04-17

같이 보기

• 리튬
• 인산
• 철
• 인산철
• LCO
• 리튬 인산철 배터리

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