리튬 인산철(LFP)배터리는 저렴하고 안정성 있는 리튬 이온 배터리의 한 종류입니다. 최근 세계 최대 배터리 회사 CATL이 테슬라에 납품을 하면서 관심을 끌고 있습니다. 이번 포스팅은 리튬 이온 배터리의 기본적인 내용을 살펴보고, LFP 배터리의 장단점을 알아보겠습니다.
LFP 배터리는 다른 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 낮지만,
저렴한 가격, 높은 안정성, 긴 수명 등의 장점을 가지고 있습니다.
LG에너지솔루션의 점유율에도 위협이 될 배터리이기 때문에 관심을 가질 필요가 있습니다.
리튬 이온 배터리의 구성
리튬 이온 배터리는 애노드(anode), 캐소드(cathode), 분리막(separator), 전해질(electrolyte), 그리고 집전체(current collector) 등으로 구성됩니다.
충전과 방전에서 리튬 이온은 전해질을 통해 애노드와 캐소드 사이를 이동하고, 이것이 에너지를 충전하거나 전류를 흐르게 합니다. 분리막은 배터리 내부의 전자 흐름을 차단하고, 집전체는 전극과 외부 회로 사이에 전류를 흐르게 해 줍니다.
애노드(음극), 캐소드(양극)
여기서 애노드는 전자를 만들어 내는 산화전극을, 캐소드는 전자를 소비하는 환원 전극을 말합니다.
예를 들면, 전형적인 리튬 이온 배터리에서 방전 시 흑연(graphite)은 LiC$_{6}$ → C$_{6}$ + $e^{-}$ + Li$^{+}$반응이 일어나는 애노드, 리튬 코발트 산화물은 CoO$_{2}$ + $e^{-}$ + Li$^{+}$ → LiCoO$_{2}$반응이 일어나는 캐소드가 됩니다. 이때 전극은 애노드가 (–) 극, 캐소드가 (+) 극입니다.
따라서 보통 흑연을 음극재, 리튬 코발트 산화물을 양극재라고 명명합니다.
그리고 주의할 점은 애노트, 캐소드의 명명법은 방전을 기준으로 한다는 것입니다.
충전 시에는 각 전극에서 역반응이 일어나기 때문에 흑연은 캐소드, 리튬 코발트 산화물은 애노드가 됩니다.
다음은 아래의 리튬 이온 배터리 원가구조를 보겠습니다.
그림을 보면 양극재, 즉 캐소드의 비중이 상당히 크다는 것을 알 수 있습니다.
이는 캐소드에 널리 쓰이는 코발트가 비싸기 때문입니다.
리튬인산철 배터리
LFP 배터리는 리튬 철 인산염(LiFePO$_{4}$)을 캐소드에 흑연을 애노드에 사용하는 리튬 이온 배터리의 한 종류입니다.
LiFePO$_{4}$의 에너지 밀도는 리튬 코발트 산화물보다 낮지만 가격은 훨씬 저렴합니다.
왜 리튬 인산철(LFP) 배터리의 가격이 저렴한지 알 수 있습니다.
또한, 무독성, 훌륭한 내구성과 안전성, 긴 수명 등의 장점도 있습니다.
결정 구조 때문에 열화 현상이 적어 화재에 강하다고도 알려져 있습니다.
주요 단점은 낮은 전기 전도성입니다.
이 때문에 전기 전도성을 높이기 위해 거의 대부분의 LiFePO$_{4}$ 캐소드는 탄소와 합성물을 만듭니다.
또 다른 단점은 앞서 말한 비교적 낮은 에너지 밀도입니다.
에너지 밀도는 단위 무게(보통 1 킬로그램) 당 가질 수 있는 에너지를 말합니다.
즉, 킬로그램 당 충전할 수 있는 에너지량입니다.
에너지 밀도가 낮기 때문에, LFP 배터리는 같은 용량의 배터리라면 다른 리튬 이온 배터리보다 무거워야 합니다.
또는, 같은 무게라면 저장할 수 있는 에너지가 적어져요.
따라서, LFP 배터리를 전기차에 사용할 경우 한 번 충전으로 갈 수 있는 거리가 짧아집니다.
종합해 보자면, LFP 배터리는 전기차의 완충 거리가 짧은 반면, 가격이 싸고 안정적입니다.
실제로 중국산 테슬라 모델 3에 적용된 CATL LFP 배터리는 완충 주행거리가 400 km 초반으로 보입니다.
하지만, 완충 거리가 줄어드는 문제를 겪는 소비자들이 있다는 기사도 있습니다.
단, 수명은 120만 마일로 다른 전기차의 10만 ~ 20만 마일보다 훨씬 길어요.
(중국산 모델 3 탑재 CATL LFP 배터리, 성능 저하 심각…, 오토 데일리 2020.12.14 기사 참조)
마무리하며
위 문제가 CATL 배터리의 구조적 문제인지 품질 관리의 문제인지는 확실하지 않습니다.
문제가 개선된다면 중국산은 싸지만 품질은 안 좋다고 무시할 수만은 없습니다.
이전 포스팅에서 본 것과 같이 CATL은 LFP 배터리와 나트륨 배터리를 가지고 엄청난 가격 공세를 가하고 있습니다.
(나트륨(Sodium) 이온 배터리: 리튬(Lithium) 이후의 배터리 자원은?)
LG에너지솔루션등 국내 기업들이 이에 대응할 수 있는 전략을 세울 수 있길 바랍니다.
'산업과 관련된 과학기술 정보' 카테고리의 다른 글
| 물 전기분해의 반쪽 전지 반응(half-cell reaction) (6) | 2022.03.06 |
|---|---|
| 수소 에너지에 관한 기초 지식 (6) | 2022.02.23 |
| 무어의 법칙 VS 황의 법칙: 반도체 기술의 법칙 (0) | 2022.01.18 |
| 나트륨(Sodium) 이온 배터리: 리튬(Lithium) 이후의 배터리 자원은? (0) | 2022.01.12 |
| 물질 게놈 프로젝트 (Materials Genome Project) (0) | 2022.01.09 |
댓글