LFP 배터리가 뭘까? (Li-FePO4, 리튬-인산-철 배터리)

최근 LFP 배터리(리튬-인산-철 배터리, Li-FePO4)가 뉴스에 많이 오르내리고 있습니다. 이에 이번 글에서는 LFP 배터리에 대하여 정리해보았습니다.

 

1. 배터리란?

   - 배터리는 화학적 에너지의 저장공간이며, 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환합니다

   - 배터리는 2개 이상의 전기적 cell 그룹들로 구성되며, 병렬 또는 직렬로 cell들이 연결됩니다

   - 전등, 모터, 전자 제품등에 사용가능합니다

 

 

2. 전기 화학적 저장 장치들

   - 수소 cells, 배터리, 초고밀도 축전지 (super capacitors)

 

 

3. 배터리의 주요 유형

   (1) Primary batteries

        - Primary cell에서 화학적 reaction은 한번만 발생합니다. 직류원

        - 전압 range: 1.25 - 1.50V (토치, 라디오, 시계 등에 사용됩니다)

        - 저가, 짧은 사용 수명

        - Zn-MnO2 cell (dry cell)

 

   (2) Secondary batteries

        - Secondary cell에서 화학적 reaction이 역으로도 발생합니다

        - 전류로 cell들을 충전가능합니다

        - 스마트폰, 노트북, 전기차 등에 널리 사용중입니다

 

 

4. 리튬이온배터리와 LFP 배터리에 대하여...

리튬이온배터리는 리튬의 화학 반응을 이용한 것으로, 충방전 시 리튬 이온과 전자가 양극과 음극을 이동하여 전기 에너지가 발생합니다. 리튬이온배터리의 양극재를 어떤 물질로 구성하느냐에 따라 삼원계 배터리, 사원계 배터리, LFP 배터리 등으로 구분됩니다. 최근에는 코발트, 니켈 등의 원자재 비용이 치솟으면서, 코발트나 니켈을 사용하지 않는 LFP 배터리가 재조명 받고 있습니다.

리튬 이온 배터리의 구조 (source: Structuring materials for lithum-ion batteries: advancements in nanomaterial structure, composition, and defined assembly on cell performance, 2014)

 

 

삼원계 혹은 사원계 배터리

 - 리튬이온배터리의 양극재를 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 3~4개의 비철금속으로 구성한 경우

 

 

LFP 배터리

 - 삼원계 또는 사원계 배터리가 리튬코발트산화물(LCO) 양극재를 기본으로 한다면, LFP 배터리는 코발트 대신 인산철을 넣어 LFPO(LiFePO4)로 양극재를 구성

 

LFP 배터리의 장점

 - LFP 배터리는 가격이 저렴하다는 점 이외에도, 안정성이 높다는 장점이 있습니다. LFP 배터리에 들어가는 리튬인산철(LiFePO4)는 크리스털 육면체들이 서로 유기적으로 연결된 격자 구조인 ‘올리빈 구조’를 가지고 있는데, 이 구조가 매우 안정적인 구조입니다. 따라서, 과충전 또는 과방전으로 인한 화재 위험이 낮으며, 배터리 셀이 열화되는 현상도 적어 배터리 수명도 긴 편입니다.

  => 가격이 저렴, 상대적으로 안정적, 화재 위험 낮음, 배터리 열화현상 적음, 수명이 상대적으로 긴편

 

 

LFP 배터리의 단점

 -  LFP 배터리는 그간 삼원계 배터리보다 성능이 낮은 것으로 평가되었습니다. 가격이 저렴하고 상대적으로 안정성이 높지만, 무게가 무겁고 에너지 밀도가 낮아 전기차에 적용할 경우 주행 거리 확보에 불리했기 때문입니다. 예를 들어, 한 전기차의 경우 NCA 배터리를 탑재한 모델이 1회 충전 시 최대 주행거리가 423km인데 비해, LFP 배터리를 탑재한 모델은 1회 충전시 최대 주행거리가 407km 수준에 그칩니다. 

  => 에너지 밀도가 낮음

  => LFP 배터리의 단점인 낮은 에너지 밀도는 기술적으로 점차 극복중입니다

전기차 제조사들의 움직임

 - 전기차 제조사들은 이러한 배터리들의 장단점들을 고려해, 전기차 시장을 분리하는 중입니다.

즉, 중국 상하이 기가 팩토리에서 생산되는 테슬라의 스탠더드 모델처럼 가격이 낮은 모델에는 CATL의 LFP 배터리를 장착하고, 상대적으로 장거리 운행이 가능한 롱레인지 모델에는 LG에너지 솔루션에서 생산하는 원통형 삼원계 배터리를 사용합니다. 테슬라의 이런 전략을 다른 전기차 제조사들도 속속 참고하여 도입중에 있는 것으로 보입니다.

 

 

에너지 저장 시스템 (ESS, Energy storage system)에서의 LFP 배터리 사용

 - ESS의 경우 LFP 배터리의 점유율이 높습니다. 그 이유는, 배터리의 안정성이 높고, 수명이 길기 때문입니다.  (ESS는 전력 사용량이 적은 시간에 전기를 저장했다가 사용량이 많은 시간에 공급하는 수단으로 활용합니다.)

 

 

LFP 배터리 제작을 위해서...

 - LFP 배터리 공급망은 크게 광물채굴 및 정제련을 포함하는 up-stream, 배터리 4대 소재와 셀 제조를 포함하는 mid-stream, 배터리 팩 조립 및 탑재기기를 포함하는 down-stream으로 구분합니다. 이 과정들이 수직계열화가 잘되어 있는 기업일수록 더욱 저렴하게 만들수 있으며, 중국 BYD의 경우 광물 채굴부터 배터리 제조, 완성차 제작까지 모두 수직계열화되어있습니다.

 

 - LFP 배터리 양극재의 핵심인 탄산리튬 지분을 대부분 가지고 있는 곳은 중국 기업이며, 인산철 전구체에 필요한 인광석의 세계 최대 생산국도 중국입니다. 음극재의 주 원재료인 흑연 가공의 전 세계 70%를 담당하는 곳 또한 중국입니다.  이러한 이유로 인해, 중국 배터리 업체들은 강력한 가격경쟁력을 갖출 수 있으며, 우리나라가 이와 같이 하기는 쉽지 않은 편입니다.

 

 

국제 정세와 우리나라 배터리 업체들과의 관계...
- 중국이 LFP 배터리의 원가 경쟁력을 가지고 있지만, 중국을 배제하려는 미국 내 수요는 국내 배터리 3사에게 기회가 될 수 있습니다. 즉, 미국 내 중국 LFP 배터리 적용을 제한하고 있기 때문에, 국내 배터리 셀 3사의 LFP 배터리 주 target 시장은 미국이 될 가능성이 높은 편입니다. (인플레이션 감축법 IRA는 중국 공급망의 완벽한 배제를 가이드라인으로 잡고 있는데, 이 때문에 미국 내 LFP 배터리에 관한 수요를 공급이 따라가지 못할 가능성이 높음)

 

 

Reference

http://weekly.chosun.com/news/articleView.html?idxno=26751 

홀대 LFP 배터리에 뒤늦게 뛰어든 속사정 - 주간조선

https://inside.lgensol.com/2022/02/lfp-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EB%8A%94-%EB%8C%80%EC%84%B8%EA%B0%80-%EB%90%A0-%EC%88%98-%EC%9E%88%EC%9D%84%EA%B9%8C/

LFP 배터리는 대세가 될 수 있을까? - 배터리인사이드 | BATTERY INSIDE

https://www.irsglobal.com/bbs/rwdboard/18621

리튬인산철(LFP) 배터리 주요 이슈와 시장 전망

http://www.motie.go.kr/www/main.do