리튬인산철(LiFePO4) 전지

리튬인산철(LiFePO4) 전지

 

 

리튬인산철 전지는 양극제로 리튬-인산철을 사용하여 폭발 위험이 없는 안정성을 확보하였다. 전해질은 이온(액체) 전해질을 사용하여 충전 효율도 최대화 하였다. 리튬 인산철 배터리의 화학구조는 올리빈 구조로 매우 안정적인 구조를 가진다. 그렇기에 리튬의 경로 이동이 쉽고 열적으로도 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 낮출 수 있는 효과가 있다. 또한 온도특성이 매우 좋아 자체 발열이 거의 없어서 주위온도에 영향을 주지 않는다.

리튬인산철 이차전지는 탁월한 안전성을 가지고 있으며 자가 방전율과 에너지 손실률이 매우 낮아 효율이 뛰어나다. 다른 양극물질과 비교해도 가격 경쟁력, 뛰어난 안정성, 성능, 기리고 안정적인 작동 성능을 확보하였다.

리튬인산철(LiFePO4) 규격

LiFePO4 배터리의 공칭 전압은 3.2V이고 종단 충전 전압은 3.6V이며 종단 된 방전 전압은 2.0V이다. 다양한 제조업체가 사용하는 양극, 음극 및 전해질 소재의 품질과 공정이 다르기 때문에 성능이 다소 다릅니다. 예를 들어 동일한 유형의 용량 (동일한 패키지의 표준 배터리)은 큰 차이가 있다. (10 % ~ 20 %)

 리튬인산철의 용도

전기 자동차용 배터리와 같은 2차 전지와 전동공구, RC, 골프카, 캠피카, 전동오토바이, 산업용 기기, 하이브리드 자동차에도 많이 사용되며 대용량과 안정성을 동시에 확보하였다.

 리튬인산철의 특성

 화확적으로 극히 안정되고 값싼 인산철을 사용하여 리튬인산철 전지는 과열, 과충전 상황에도 폭발할 가능성이 적다. 주로 중국에서 독보적 기술과 양산성을 확보한 리튬인산철 전지는 원자재 공급이 안정적이라 기존의 납축전지를 대체할 가능성이 있어 보인다. 이에 따라 현재 국내 캠핑 매니아 및 자동차 매니아를 중심으로 제2의 전지로 중국의 리튬인산철 배터리를 많이 장착하여 기존의 납 배터리의 대용으로 사용되고 있다.

 LiFePO4 배터리의 구조와 작동 원리

LiFePO4 배터리의 내부 구조는 왼쪽에는 올리빈 구조의 LiFePO4가 배터리의 양극으로 나타난다. 알루미늄 호일은 배터리의 양극에 연결된다. 중간은 폴리머 분리기이다. 그것은 양극과 음극을 분리하지만, 리튬 이온 Li +는 통과 할 수 있고 전자 e-는 통과 할 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 케이싱에 의해 밀폐된다.

 인산 철 리튬 배터리 작동

위의 LiFePO4의 전지 구조는 양극으로, 알루미늄 호일은 전지의 양극에 연결되어 있고, 왼쪽에는 양극과 음극을 분리하는 고분자 다이어프램이 있으나 리튬 이온 Li는 통과 할 수 있고 전자는 통과 할 수 없으며, 오른쪽은 탄소 포지티브 전극 (흑연)으로 이루어져 있으며, 이는 배터리의 음극에 동박으로 연결되어있다. 배터리의 상부 및 하부 단부 사이에는 배터리의 전해질이 있으며, 배터리는 금속 케이싱에 의해 밀폐된다.

LiFePO4 배터러ㅣ 충방전 과장

LiFePO4 배터리가 충방전 과정

LiFePO4 양극, 음극 및 배터리는 알루미늄 호일, 리튬 이온의 양극과 음극을 분리하는 중간 중합체 격막으로 연결되지만 리튬은 전자를 통해 전자를 통과 할 수 없으며 오른쪽은 탄소 (흑연 ) 배터리 음극, 양극 및 배터리는 구리 호일로 연결된다. 배터리의 상단과 하단 사이에는 배터리의 전해질이 있으며, 배터리는 금속 인클로저로 둘러싸여 있다.

LiFePO4 배터리 구성

LiFePO4 배터리 가 충전되면 양극의 Li 이온 Li가 폴리머 다이어프램을 통해 음극으로 이동한다. 방전 중에 음극의 리튬 이온 Li가 다이어프램에서 양극으로 이동한다. 리튬 이온 배터리는 충전 및 방전시 리튬 이온이 뒤로 이동하여 이동 한 후에 명명된다.

리튬인산철 배터리 작동원리(LiFePO4)

리튬인산철의 단점

 기전압이 기존 리튬-코발트 전지의 3.7V보다 0.3V 정도 낮은 3.4V라는 점이다. 리튬이온이나 리튬폴리머 전지보다 에너지밀도가 낮다. 그리고 리튬-폴리머 전지만큼 디자인 편의성이 떨어진다. 한국과 일본이 선점한 리튬이온 전지에 비하면 무겁고 다소 성능은 떨어진다. 그러나 동급의 리튬이온 전지 대비 약 30%의 저렴해 아주 우수한 가격 경쟁력을 보유하고 있다.

납산배터리보다 에너지 용량당 가격이 비싸다. 납산전지에 비해 가격이 비싸다는 것. 그러나, 이것도, 3배 긴 수명과 1.8배 더 많은 실질 출력 전력량을 고려하면 큰 단점은 아니다.

 리튬인산철의 장점

  무게가 가볍다

같은 100A 용량의 딥사이클 납산 SLA 배터리의 경우 27~8kg 정도, Flooded나 AGM은 30~33kg 정도 하는 것에 비해, 60% 이상 무게가 가볍다. 또한 실질적으로 사용용량이 같은 용량 대비 훨씬 크기 때문에 실제로 절감되는 사용중량은 80% 이상 가볍다고 볼 수 있다. 그러나 리튬이온 배터리 대비 20% 정도 무겁다.

긴 수명

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. 예를 들면 100A 배터리를 1500회 충방전 시키고 나면, 용량이 80A정도로 줄어든다.

 리튬이온 전지 대비 가격 경쟁력

동급의 리튬이온 전지 대비 약 30%의 저렴해 아주 우수한 가격 경쟁력을 보유하고 있다. 중국 자동차 메이커는 2000년 초 이후 리듐인찬철 배터리를 개량 및 개선하여 현재는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 적극적으로 사용하고 있다.

 안전성 확보

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

에너지밀도가 높음

리튬인산철 배터리는 납산배터리, 니켈-카드뮬에 비해 무게당 에너지밀도가 2배가량 높고, 리튬이온배터리는 리튬인산철배터리보다 에너지밀도가 1.5배 더 높아 전기자동차용으로 니켈-수소전지를 대체하고 있으며, 설치/해체가 간단하여 적재 공간 절약 가능하다. 상용화된 배터리 중 가장 에너지밀도가 높은 배터리는 리튬이온 배터리이지만, 리튬인산철 배터리는 그만큼 에너지밀도가 높진 않지만, 수명이 3배 가까이 더 길고, 사용상 위험성이 없다는 장점이 있다.

 실제 출력에너지 많음

100A 12V 납산배터리와 100A 12.8V 리튬인산철배터리를 비교하면, 납산배터리는 완충 후 배터리 손상이 안가는 정도까지(12.0V까지) 방전 시 출력되는 에너지가 600Wh 정도이다. 리튬인산철배터리는 1050Wh 정도로 거의 두배 가량 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 동일한다.

 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 자연 방전되어 영구적인 손상을 입지만, 리튬인산철 배터리는 1년간 충전 안 해도 85% 정도의 용량을 유지하고, 손상되지 않습니다. 그래서 ESS, UPS 사용 시 전기료 절감 효과가 크다.

 높은 충방전 효율

납산배터리는 지속 방전시 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. 충방전 효율이 95% 이상으로 우수하여 충, 방전시 적은 전력을 소비하여 전기료 절감효과가 있음. 납축전지는 70% 정도의 충방전 효율로 20~30%의 전기료 절감효과 있다.

 No Memory Effect

니켈전지에서 문제가 되는 메모리효과가 전혀 없고, 유지보수가 필요 없어서 관리 인력이 별도로 필요 없고, 배터리 활성화 장비도 필요 없다.

 안정적인 작동전압

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

리듐인산철 배터리 종류(LiFePO4)

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.

중국의 리튬인산철 개발 및 적용

중국은 2000년대부터 리튬인산철(LiFePO4)을 개발하기 시작하여 중국에서 생산되는 전기자동차 시장에 저렴하고 안정성이 있는 리튬인산철 배터리를 대중적으로 적용하였다. 자동차 업계는 중국의 BYD와 체리자동차에 리튬인산철 배터리를 사용하고 있다. 최근의 2020년 중국의 테슬라는 중국 전기 자동차 시장에서 가격 경쟁력 확보 차원에서 리튬인산철을 테슬라 모델에 적용 할 계획을 세우고 있다. 이와 더불어 중국에서 가장 많이 쓰이는 리튬이온 배터리는 전기스쿠터이다. 중국산 전기스쿠터는 대부분 리튬이온 배터리를 채택하고 있다.

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