※ 인산철배터리의 한계
2차전지 섹터에서 기관들을 중심으로 LFP 배터리에 우호적인 시각이 매우 많은데, 가격경쟁력을 넘어 이제는 LFP가 조만간 삼원계 배터리를 다 따라잡았고 능가한다는 얘기들이 나오고 있습니다.
특히 CATL과 같은 중국업체들의 LMFP 고전압 인산철망간 배터리의 자료를 근거로 하고 있는 것으로 보여집니다.
엔지니어들이나 현업자들은, LFP배터리의 근본적 한계(철과 인산 분자가 갖고 있는 화학적 한계)에 대해서 말하고 있지만 왠지 주식시장은 엔지니어들의 말에 귀를 기울이지 않는 모습을 보여주는 듯 합니다.
그리고
인산철배터리의 가장 큰 장점은 가격인데, 에너지밀도를 높이기 위해서 여러시도들을 하는 것은 LFP배터리의 최대 장점인 가격경쟁력을 스스로 훼손하는 것입니다.
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LFP는 납축배터리를 대체하고자 만들어진 배터리임. (삼원계 대체가 아님)
LFP배터리는 전압이 납축배터리와 동일하여 납축배터리로 구성해 놓은 시스템에 동일하게 사용할 수 있음.
○ LFP배터리와 삼원계배터리 비교.
1) 최저작동온도 : 삼원계 -40도 / LFP -20도
2) 작동온도 (Operating Temperature) : 삼원계 -20도 에서 60도 / LFP 0도에서 55도
3) 수명 (Life Cycle) : 삼원계 0.3C-rate 1500회 이상, 1C-rate 500회이상 / LFP 0.3C-rate 2000회 이상, 1C-rate 400회이상
※ 분리막에 의해서 배터리의 수명은 달라지기도 함.
○ LFP배터리의 단점
1) 운용온도범위가 좁음 : 영하의 온도에서 운용하기 어려움
2) 에너지밀도가 낮음 : 삼원계배터리 대비 60%수준의 밀도. 에너지밀도와 수명대비 가격을 계산하면 아주 저렴하지도 않음.
3) 전기적운용특성 : 0.2V(3.4V – 3.6V)이내에 Capacitance의 85%가 몰려 있음. 변위차가 적기 때문에 BMS의 밸런스를 잡기가 어려움. (배터리 열화발생)
4) Memory Effect : 충전이 덜 되어도, 그 충전량을 기억하여 더 이상 충전되지 않는 현상
○ C-rate가 배터리에 끼치는 영향
▷ C-rate는 한 번에 밀려들어오는 전자의 양(=정공의 크기)이라고 이해하면 좋음.
배터리마다 권장 C-rate(Standard C-rate/Current)가 존재함.
LFP의 권장 C-rate가 0.2 C-rate면 0.2C-rate에서는 배터리의 열화가 생기지 않음.
배터리의 열화(SOC)는 C-rate에 의해 결정됨.
삼원계는 스탠다드 환경을 0.33C-rate로 설정하는데 비해, LFP는 0.2C-rate로 설정함.
C-rate가 낮으며 낮을수록 배터리의 열화속도가 낮아짐. 0.2C-rate에서 LFP배터리의 수명은 3-4000회도 가능.
LFP배터리는 C-rate가 높아지면 높아질수록 열화가 빨라지는 특성을 가지고 있음.
철, 인산 분자는 니켈 대비 움직임이기 어려운(활성도가 낮은) 분자구조를 가지고 있고, 철, 인산 분자가 빠르게 움직이면(C-rate가 높아진다는 의미) 분자구조에 무리가 가고 열화가 빨라지는 것은 당연한 상식임.
1-Crate가 넘어가면 삼원계와 LFP의 수명이 역전이 되기 시작함.
전기차의 환경은 2C-rate에서 운영이 되는 경우가 많음. (평균 운용 C-rate)
전기차에서는 LFP의 수명이 삼원계보다 낮을 확률이 높음. (아직까지 충분한 데이터가 쌓이지 않아 확실히 말할 수는 없지만 배터리의 화학적 특성상 그럴 가능성이 높음)
LFP 배터리를 채택한 전기차에 수명은 표기되어 있지만, 작동환경에서의 구체적인 수명이 적혀있는 자료를 제시하지 않음.
배터리의 Life Cycle은 작동환경 조건을 붙여야 함.
소비자들에게는 공개하지 않지만 거래처(완성차업체)에는 작동환경 조건을 함께 제공함.
ESS 배터리는 작동환경이 0.5C-rate가 표준임.
때문에 LFP배터리는 ESS용이나 파워뱅크용으로 더 적합한 배터리임.
고성능 전기차로 가면 갈수록 삼원계 배터리와 LFP배터리의 격차는 커질 수밖에 없음.
BYD의 블레이드배터리는 배터리를 얇게(칼날처럼) 만들어서 배터리 사이에 쿨링시스템을 적용하여 열화현상을 제어하고 있음. (블레이드 배터리가 비싼 이유)
○ 전압변위(전기적운용 특성) / 메모리효과
리튬인산철은 전압변위(3.2V – 3.4V)가 낮은 특성을 가지고 있음.
0.2V 이내에 Capacitance의 85%가 몰려 있음.
전기차는 전압변위가 큰 것이 좋음. LFP는 전압변위 차가 적기 때문에 밸런스를 맞추기가 어려움.
권장되는 환경에서(0.5C-rate)는 운행된다고 하면 LFP가 더 안정적으로 작동하는 것은 맞지만,
대용량 직병렬 셀로 BMS를 통해 운영을 하게 된다면 인산철배터리가 더 위험함. 밸런스를 맞추기가 어렵고 이는 폭발위험성 증가로 이어짐. (LFP배터리가 화재가 나는 이유 중 하나)
LFP배터리는 리튬배터리 중 유일하게 메모리효과(Memory Effect)가 발견된 배터리임.
※ 메모리효과 : 배터리를 완전히 방전시키지 않은 상태에서 충전을 하게 되면 배터리의 충전 가능 용량이 줄어드는 특성.
LFP 배터리의 메모리효과 때문에, LFP배터리를 채택한 전기차는 초기에 100% 완충을 할 것을 권장하고 있음. (삼원계배터리를 채택하고 있는 전기차에서는 이런 권고사항이 없음)
○ LFP와 화재위험성
LFP의 화학적 특성만을 보고 LFP가 화재에 더 강할 것이라고 많이들 생각하는데, 전기차에서는 LFP배터리가 삼원계 배터리보다 화재에 더 취약할 수 있음. (중국 인산철배터리 차량들이 불이 잘 나는 이유)
1) C-rate가 높은 구간에서의 운행이 늘어나면 배터리 열화현상이 심해지며 배터리의 화재위험성이 증가.
2) 전압변위차가 적어 배터리 BMS의 밸런스를 맞추기 어려움. 특히 전압강하 현상에 취약. BMS 밸런스 맞추기가 어렵다는 것은 화재 위험이 증가한다는 의미.
3) 리튬인산철 배터리는 에너지밀도가 낮아 무게가 많이 나갈 수 밖에 없음. 이 때문에 공차 무게를 줄이기 위해서 모듈을 없애는 CTP기술을 도입하고 배터리화재 방지시스템을 간소화하는 경향을 지니고 있음.
모듈이 없어지면서 배터리를 관리하기가 더 어려워 짐. 모듈이 있으면 문제되는 배터리가 있는 모듈의 작동만을 멈출 수 있지만 CTP에서는 이것이 불가능함. (하지만 CTP, CTC, CTB 등은 삼원계도 가야만 하는 길임.)
https://www.youtube.com/watch?v=O7mNkvbM5Vk