EV 전기차 LFP 배터리 확대 적용되는 이유는? 기술적 한계 극복 이해

 

LFP계 배터리는 성능적인 관점에서의 한계로 EV 전기차 시장 초반에는 NCM대비 큰 관심을 얻지 못했지만 LFP 배터리의 한계를 극복하는 기술 발전으로 최근 완성차 업계에서는 LFP 배터리 채택을 확대해 나가고 있다.

 

국내에서도 LFP배터리 개발이 최근에 활발한데 NCM 배터리에 비해 경험 및 성과가 적어 샘플 생산에 어려움이 있다. 이에 LFP배터리가 삼원계 대비 갖는 기술적 한계를 어떻게 극복하고 있는지에 대해 스터디하며 LFP 배터리에 대한 이해도를 높이고자 이번 포스팅을 남긴다.

 

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1. LFP와 NCM 배터리의 구조적 차이 및 그에 따른 물리적, 전기화학적 특성 이해

LFP 올리빈 구조와 달리 NCM 층상구조는 구조적으로 불안정한데이는 곧 고온 특성과 이어진다. 

한편, LFP의 경우 구조적으로 안정해 고온특성이 좋지만 리튬 이온의 이동경로가 1D로 제한되어 리튬이온 확산속도가 2D 층상구조의 삼원계 배터리에 비해 느리다. 이로인해 -20도 이하에서 리튬이온 확산을 막아 저온특성이 NCM대비 좋지 않다.

 

*삼원계 층상구조 : 건축물 바닥만 있고 기둥은 없는 것 / 리튬이온( Li+ ) 2D

*LFP 올리빈구조 :  바닥 + 기둥까지 튼튼 / 리튬이온( Li+ ) 1D

올리빈 결정구조상 리튬이온의 확산 시 움직임이 1D로 제한되기 때문에 층상구조 및 2D의 리튬이온 확산 경로를 갖는

삼원계 NCM/NCA 배터리에 비해 전기전도성이 떨어진다.

 

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LFP 배터리의 한계 1번째 : 낮은 리튬이온 확산 속도 및 전기전도도

정리하면, 리튬이온배터리의 온도 조건에 따른 전기화학적 성능 변화는 2가지로 구분된다.

1) 저온효과 : 주행성능에 영향

2) 고온효과 : 배터리 안전과 직결

 

LFP 배터리는 Thermal runaway(TR, 열폭주) 온도가 270도 이상이고, 배터리 온도 500-600도에서 내부 화학성분이

분해된다. 이에 반해 삼원계 배터리의 경우 300도 부터 내부 화학성분 분해가 시작되어 열 안정성이 LFP에 비해 낮다.

 

LFP 배터리의 한계 2번째 : 저온특성 저하

대신 LFP는 저온 특성이 좋지 않은데, -20도 이하 저온에서 아래 3가지 원인으로 용량 유지율이 60% 이하로 떨어진다.

1) 전해질 점도 증가 : 이온 전도도 감소

2) 전하 이동 저항 증가 : -20도에서 실온 대비 저항 3배 이상 높음

3) 리튬이온확산 속도 저하로 인한 리튬 침체 및 리튬 석출(Li plating)

   - Li 덴드라이트 성장에 따른 분리막 관통 및 내부 단락(short circuit) 위험성 있음.

LFP 배터리의 한계 3번째 : 낮은 에너지 밀도

에너지밀도는 곧 주행거리와 직결된다.

LFP 배터리는 NCM/NCA 등 삼원계 배터리에 비해 에너지밀도를 가져 주행거리에 불리하다.

에너지밀도는 1)전압 * 2) 용량으로 LFP의 이론 용량은 170Wh/kg 수준, 삼원계 배터리는 265-280Wh/kg 수준이다.

작동 전압은 LFP가 3.6V, 삼원계 배터리는 4-4.2V이다. 

 

즉, 이론상 LFP 배터리가 삼원계 배터리 보다 에너지밀도(주행가능 거리)가 크게 차이 날 수밖에 없다고들 판단했다.

EV 출시 시, 주행가능 거리가 약 500km 정도되는 롱레인지 모델에는 삼원계 배터리롤 사용하고 LFP배터리로는 

스탠다드 레인지 정도만 커버 가능할 것으로 봤었다. 

 

하지만, 최근 LFP 배터리는 에너지밀도 210Wh로 국내 기준 최대 400km  초반 대를 커버하는 수준으로 올라왔다.

이론적인 측면을 기술적으로 개선을 통해 주행가능 거리를 개선해오고 있는 것이다.

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LFP 배터리 한계 극복 기술방향

위에서 언급된 LFP 배터리의 3가지 한계점을 극복하기 위한 기술적 개선방향성은 2가지로 나뉜다.

 

개선방향1) 리튬이온확산 속도 및 전기전도성 개선(저온특성개선)

개선방향2) 에너지밀도 향상 기술

 

기술적인 내용을 좀 더 상세히 알아봤다.

LFP배터리 한계 극복 기술 1 : 리튬이온확산 속도 및 전기전도성 개선(저온특성개선)

활물질 입자 크기를 나노화 함으로써 리튬이온 확산 거리 단축을 되어 리튬이온확산 속도 및 전기전도성 개선이 가능하다.

하지만, 나노화된 입자로 비표면적이 커지게 되고 이는 입자 간 저항으로 작용하여 이온확산 속도가 오히려 늦어질 수 있다.

이를 개선하기 위해 나노화된 입자 표면을 탄소코팅해 전체적인 형태를 제어해야 한다.

한편, 탄소소재로 코팅소재로 채택하는 이유는 하기와 같은 이점이 있기 때문이다.

- 높은 전기화하적 안정성

- 공기 중 산소/습기로 부터 양극재를 보호

- 물리적 특성 우수(기계적 강도, 구조적 유연성, 이방성, 전도성, 저밀도)

- 저렴한 비용

LFP배터리 한계 극복 기술 2 : 에너지밀도 개선 with LFMP + NCM블렌딩

에너지밀도 개선의 대표적인 방식은 원소 도핑 방식으로 삼원계도 에너지밀도 개선을 위해 사용되던 오래된 방식이다.

특히, LFP 배터리에 있어서 Mn이 전압을 끌어올려 에너지밀도를 개선할 수 있는 원소로 2024년 BYD에서 LMFP에 대한 연구가 이뤄지고 있었다. 하지만, Mn 용출 및 덴드라이트 성장 및 고전압에서의 스웰링(팽창) 문제로 양산되지 못했었다. 

LMFP 단독으로는 양산성이 떨어지지만 CATL에서는 LMFP와 작업전압이 유사한 NCM523을 블렌딩(혼합)하거나 LMFP, NCM을 더블레이어로 코팅하는 타입의 배터리로 이러한 한계를 극복한 것으로 보인다.

즉 더이상 LFP계 배터리가 에너지밀도가 낮아 롱레인지용 EV 시장에 진출하기 어렵다는 말은 할 수 없게 됐다.

LFP배터리 한계 극복 기술 2 : 에너지밀도 개선, 실리콘 Si 음극재 혼합

삼원계 배터리에서도 Si 혼합 음극재를 이용해 에너지밀도 개선에 사용된다.

Si 음극재를 사용하면 리튬이온 확산 속도 및 전기전도성 개선뿐만 아니라 에너지밀도까지 개선할 수 있다.

이점이 많은 Si음극재이지만 아직 LFP계에서 Si 실리콘 음극재가 사용되지 않는 것으로 확인된다.

그 이유는 Si 음극재 함량에 따른 에너지밀도 대비 원가비중 때문으로 추정된다. Si함량 10% 이상 적용 시, 에너지밀도 24% 개선이 가능하지만 배터리 팩 내 Si음극재의 원가비중은 5%나 차지하게 된다.

현재 원가절감형 배터리가 화두인 만큼 원가비중 5%는 부담스러운 원가비중이라고 할 수 있어 향후 Si음극재 10% 적용되는 high-Si계 음극재의 가격 안정화 전까지는 앞서 언급한 다른 방법들로 LFP계 배터리의 성능개선에 집중할 것으로 보인다.(탄소코팅 적용을 통한 저온특성 개선, Mn 원소도핑 및 혼합, CTP 구조 개선을 통한 에너지밀도 향상 등)

 

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2024년 이후 OEM사 LFP배터리 채택 및 성장성 전망

대부분의 완성차 업체들이 LFP 배터리 적용을 발표하고 있다.

현대차그룹, GM, 포드 등 세계 완성차 업체들이 중국산 LFP 배터리를 채택하고 있다. 이는 전기차 시장 캐즘(일시적 수요 감소)의 원인으로 언급되는 높은 전기차 가격을 낮추기 위해 완성차 업계가 배터리 원가를 낮추는 데 집중하고 있기 때문이다. 

프리미엄 픽업 트럭을 만드는 리비안의 경우에도 자사 픽업드럭 R1 시리즈에 LFP 배터리를 채택했다.

즉, 보급형 전기차부터 프리미엄 완성차까지도 LFP 배터리의 확대 적용이 2024년부터 예상된다.

이러한 배경은 앞서 언급한 LFP계 배터리 한계 극복을 위한 기술들이 적용된 CATL의 M3P 배터리(210Wh/kg, LFMP, NCM 블랜딩)가 NCM계 배터리 대비 주행가능 거리의 차이가 현재 기준 약 70km 밖에 차이가 나지 않고 2024년 이후 260Wh/kg 배터리 양산에 성공하게 된다면 그 차이는 40km로 좁혀질 수 있기 때문이다. 또한 배터리 원가도 약 30% 이상 저렴할 것으로 기대된다.

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Summary

1. LFP vs 삼원계 배터리의 장/단점

   - LFP : 저온특성 열위, 낮은 가격, 낮은 에너지밀도

   - NCM : 고온특성 열위, 높은 가격, 높은 에너지 밀도

2. LFP한계 극복 기술 방향

  - 리튬이온 확산속도 및 전기전도성 개선(저온특성 개선)

     ㄴ탄소코팅

  - 에너지밀도 향상

     ㄴ원소도핑 : LFMP + NCM 블렌딩/더블레이어 (예시 : CATL M3P배터리, 2023년 이후 양산)

     ㄴ CTP 셀투팩 등 모듈, 팩 제작 시 NCM 대비 공간 효율성에 유리

 

이에 따라 완성차 업체들의 2024년 이후 LFP계 배터리 채택 확대 전망임.

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자료의 출처는 유안타증권에서 발행한 보고서 및 설명자료를 통해 공부하고 정리하였다.