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리튬 인산철 배터리

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리튬 인산철 배터리(LiFePO ₄ battery, LFP battery, lithium iron phosphate battery, 磷酸铁锂电池)는 리튬인산철을 사용하는 리튬 이온 배터리의 일종이다. 전체 용량의 90%까지 방전 후에도 1,000회 이상 재충전이 가능한 배터리이다. 리튬인산철이 삼원계 배터리와 비교해 니켈, 코발트가 필요 없고 상대적으로 가격이 저렴하며 리튬인산철은 산화철을 양극재로 쓴다. 리튬인산철 배터리는 CATL, BYD와 같은 중국 업체가 주도하고 있다. 테슬라가 모델3에 리튬인산철 배터리를 채용하면서 성장에 속도가 붙었다.

개요

리튬인산철 배터리는 기존의 Li-Co, Li-Mn계 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 탁월한 안정성을 가지고 있으며 자가 방전율과 에너지 손실률이 매우 낮아 효율이 뛰어나다. 다른 양극 물질과 비교해도 가격 경쟁력, 뛰어난 안정성, 성능, 그리고 안정적인 작동 성능을 확보하였다.

리튬인산철 규격

LiFePO ₄배터리의 공칭 전압은 3.2V이고 종단 충전 전압은 3.6V이며 종단된 방전 전압은 2.0V이다. 다양한 제조업체가 사용하는 양극, 음극 및 전해질 소재의 품질과 공정이 다르기 때문에 성능이 다소 다르다. 예를 들어 동일한 유형의 용량(동일한 패키지의 표준 배터리)은 큰 차이가 있다.

리튬인산철 용도

전기 자동차 용 배터리와 같은 2차전지와 전동공구, RC, 골프카, 캠핑카, 전동오토바이, 산업용기기, 하이브리드 자동차에도 많이 사용되며 대용량과 안정성을 동시에 확보하였다.


장점

  • 무게가 가볍다: 같은 100A 용량의 딥사이클 SLA 배터리의 경우 27~8kg 정도, Flooded나 AGM은 30~33kg 정도 하는 것에 비해, 60% 이상 무게가 가볍습니다. 또한 실질적으로 사용용량이 같은 용량 대비 훨씬 크기 때문에 실제로 절감되는 사용중량은 80% 이상 가볍다고 볼 수 있다.
  • 수명이 길다: 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. 예를들어 100A 배터리를 1500회 충방전 시키고 나면, 용량이 80A정도로 줄어든다.
  • 안전하다: 납산배터리는 과충전이나 과방전시 수소가스가 새어나오는 위험성이 있고, 고온이나 저온 환경에서 성능이 급격히 떨어진다. 리튬이온이나 리튬폴리머 배터리는 과충전이나 과방전시 불이나는 수준의 급격한 온도상승과 폭발현상이 발생할 수 있어 매우 위험하다. 그러나, 리튬인산철배터리는 과방전,과충전시 폭발하지 않고(내부적으로만 손상됨), 강한 외부 충격이나 고온, 화재에도 폭발하거나 가스를 내뿜지 않는다. 리튬인산철 배터리는 60~70도 정도의 환경에서 오히려 공칭용량보다 10% 정도 더 많은 에너지를 안정적으로 방전시킨다. 현재까지 상용화된 배터리 중 가장 안전성이 우수한 배터리가 LiFePO4 배터리라고 할 수 있다.
  • 에너지밀도가 높다: 리튬인산철 배터리는 납산배터리에 비해 무게당 에너지밀도가 2배가량 높고, 리튬이온배터리는 리튬인산철배터리보다 에너지밀도가 1.5배 더 높다. 상용화된 배터리 중 가장 에너지밀도가 높은 배터리는 리튬이온배터리이긴 하나, 리튬인산철 배터리는 그만큼 에너지밀도가 높진 않지만, 수명이 3배 가까이 더 길고, 사용상 위험성이 없다는 장점이 있다.
  • 실제 출력에너지가 더 많다: 100A 12V 납산배터리와 100A 12.8V 리튬인산철배터리를 비교하면,  납산배터리는 완충 후 배터리 손상이 안가는 정도까지(12.0V까지) 방전시 출력되는 에너지가 600Wh 정도이다. 리튬인산철배터리는 1050Wh 정도로 거의 두배가량 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 동일하다.
  • 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 자연방전되어 영구적인 손상을 입지만, 리튬인산철 배터리는 1년간 충전 안해도 85% 정도의 용량을 유지하고, 손상되지 않는다.
  • 방전특성이 좋다 : 납산배터리는 지속방전시 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.
  • 유지보수 불필요: 배터리 컨디셔닝이나 Flooded 납산배터리처럼 정기적으로 증류수 보충 등의 정기적인 유지보수가 수명주기 내에서 필요 없다.

단점

  • 리튬이온이나 리튬폴리머 전지보다 에너지밀도가 낮다.
  • 납산배터리보다 에너지 용량당 가격이 비싸다.

참고자료

같이 보기


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