LFP (리튬인산철) 배터리 이해

 

LFP는 Lithium Iron Phosphate (리튬인산철)의 약칭으로, 화학식 LiFePO4에서 원소 각각의 이니셜을 따서 LFP로 일컫는다. 이차 전지(충전지)의 원료로 사용되며, 이를 이용한 배터리를 LFP 배터리라고 부른다.

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LFP를 언급하기 전에 리튬이온 전지의 분류에 대해 간략히 정리하면 먼저 양극재에 따른 분류로는 리튬 코발트 산화물(LCO), 리튬 망간 산화물(LMO), 리튬 니켈-코발트 다원계(Li-NCM, NCA, NCMA), 리튬 인산철(LFP)이 있으며, 음극재에 따른 분류로는 탄소계 음극재, 리튬 메탈 음극, 실리콘 음극, 리튬 티탄산(LTO)이 있으며, 전해질에 따른 분류로는 액체 전해질 배터리, 리튬 폴리머 배터리가 있다.

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LFP(LiFePO4; 리튬인산철)을 사용한 배터리는 가격이 비싼 코발트와 니켈을 사용하지 않고 리튬도 정련이 덜 복잡한 탄산 리튬 (Li2CO3)을, 그것도 더 적은 양을 사용하기 때문에 가격이 수산화 리튬 배터리에 비해 저렴하다.

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또한 상온, 출력변화가 적은(1C이하) 조건에서는 다른 리튬 이온 전지보다 충방전 수명도 길어 3000회 이상 지나도 80%를 유지하는 장점도 가지며 폭발이나 화재의 위험성이 낮다. 단점으로는 에너지 밀도(부피 당 에너지)가 리튬 이온 전지의 70~80% 정도라 상당히 떨어지며, 평균 전압이 3.4V로 낮다는 점이다.

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또한 배터리 제어 면에서도 까다로운 특성이 있는데 그것은 완충 부근이나 완방 부근을 제외하곤 전압이 일정하다는 것이다. 통상적인 배터리들의 경우엔 배터리의 전압을 통해 어느 정도 충전되어 있는지(SOC, State of Charge)를 측정하는데 리튬인산철은 그 전압 변화가 너무 완만하다보니 실시간으로 사용중에 전압을 측정해 충전 상태를 확인하는 것이 어려워 배터리 제어에 주의를 요한다. 그러나 이러한 단점에도 불구하고 여전히 납 축전지와 비교시에는 당연히 에너지 밀도, 충전 속도, 수명 등 여러 성능면에서 월등하다.

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원래 LFP의 특허는 영국과 프랑스의 기업들이 소유하고 있었는데 중국이 여러 경로로 제작 방법을 알아낸 뒤 특허를 우회해서 쏟아내기 시작했다.

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미래의 배터리 수요량에 비해 희귀원소가 많이 들어가는 NCM 배터리의 경우, 공급이 원활하지 못할 것이 자명한 사실이다보니 최근 여러 제조사들이 비교적 쉽게 구할 수있는 인산, 철 때문에 LFP 배터리 쪽으로 눈을 돌리고 있다.

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망간을 첨가한 LFMP(lithium iron manganese phosphate) 배터리 또한 존재한다. 일반 리튬인산철 배터리보다 에너지 밀도가 높지만, 동시에 충방전 수명이 짧아진다는 단점이 있다. 삼원계 재료와 LFMP 재료를 혼합한 M3P 배터리도 존재하며, 제조비용은 LFP 배터리와 동일하다.

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리튬인산철 전지도 합선이나 셀 파손 등으로 과열이 일어날 수 있으나, 열 폭주로 이어져 1000℃ 넘게 올라가는 타 리튬 이온 전지와 달리 400℃ 정도까지만 과열된다. 리튬 코발트 산화물에서 코발트와 산소의 결합이 약한 것과 달리 리튬인산철은 인과 산소의 결합이 강해 과열돼도 쉽게 분해되어 산소를 방출하지 않는다.

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에너지 밀도는 낮지만 비용이 저렴하므로 단거리 이동용으로 쓰이는 저가형 전기자동차나 전기버스 등 배터리를 탑재할 공간이 많은 대형 차량에 주로 사용되고 있다. 1회 충전 주행거리 400km 이하의 차량에 적용 가능하며 폭발 및 화재 위험성이 낮다.

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LFP관련 언론에 소개된 내용들을 아래와 같이 소개하며 현재 진행되고 있는 상황 및 향후 전망도 예측해볼 수 있다.

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현대차, 최대용량 LFP 배터리 만든다

중국산보다 15% 늘린 300Wh 내년까지 개발…계획 수정 보급형 전기차에 탑재 전망

 

현대차가 업계 최대용량 리튬인산철(LFP) 배터리 개발을 새로운 목표로 삼았다. 국내 협력사와 손잡고 중국산 대비 약 15% 이상 용량을 높인 300와트시(Wh) 초고용량 LFP 배터리 개발에 뛰어들었다.

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13일 업계에 따르면 현대차는 국내 배터리 협력사와 전기차용 초고용량 LFP 배터리 개발 계획을 세웠다. 현재 중국 제조사들이 시장에 공급하는 LFP 배터리는 ㎏당 200Wh(와트시) 초중반대 수준으로 파악된다.

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현대차는 이보다 약 15% 이상 용량을 늘린 ㎏당 300Wh를 내년까지 구현하고 추후 300Wh 초중반대까지 용량을 확대할 예정이다.

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현대차가 LFP 배터리를 직접 설계하고 협력사가 개발을 맡는다. 현대차는 당초 2023년부터 2024년까지 2년 동안 LFP 배터리 개발을 마칠 계획이었다. 최근 이를 변경해 오는 2025년까지 300Wh LFP 배터리 개발을 완료하는 것으로 목표를 수정했다.

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개발 제품은 보급형 삼원계(NCM) 배터리와 비슷한 중저가·보급형 소형 전기차 등에 탑재할 가능성이 제기된다. 전기차 캐즘(일시적 수요 둔화) 극복 차원에서 보급형 전기차 기술력을 높이는 차원이다.

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LFP 배터리는 CATL, 비야디(BYD) 등 중국 기업이 시장의 약 90%를 장악했다. 고성능 NCM 배터리보다 가격이 저렴하고 안정성이 높아 화재 위험이 낮다는 장점이 있다. 이 과정에서 LFP 배터리의 양극재 활물질 국산화 가능성도 제기된다.

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현대차는 현대제철, 에코프로비엠 등과 협력해 'LFP 배터리 양극 활물질 직접 합성 및 배터리 기술 개발' 사업에 착수했다. 현대제철이 LFP 배터리 주 소재인 재활용 철을 이용해 미세 철 분말 공정 기술을 개발하면, 에코프로비엠이 이를 받아 LFP 양극재를 개발한 뒤 현대차가 내재화하는 프로세스다. 3자 간 협력은 LFP 배터리 제조 시 외산 LFP 소재를 국산화해서 사용하는 것이 목적이다.

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한편 현대차는 지난 8월 개최한 CEO 인베스터 데이 2024에서 중장기 전략 '현대 웨이'를 발표하며 2030년까지 보급형 LFP, 삼원계 배터리, 차세대 전고체 배터리 등의 용량을 20% 이상 향상하며 배터리 개발 역량을 강화할 계획이라고 밝혔다.

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전자신문 2024-10-13

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中 주도 LFP 배터리, 시장 판도 흔든다

망간 섞은 차세대 LMFP 주목도↑…국내 기업도 뒤늦게 개발 러시

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"니켈·코발트·망간(NCM) 배터리가 '혁신'이라면, 리튬·인산·철(LFP) 배터리는 '개선'입니다."

김수진 럼플리어 대표는 29일 서울 구로구 산업교육연구소에서 열린 '차세대 배터리 화재 예방을 위한 신기술 개발 동향과 난제 실용화 방안 세미나'에서 이같이 말했다.

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'LFP 소재 핵심 기술개발 동향 사례와 전망, 화재에 대한 주요 과제'를 주제로 강연한 김 대표는 "배터리의 발전 방향은 크게 두 가지로 새로운 소재와 구조를 지닌 신개념 배터리를 개발하거나, 기존 제품을 개선하는 형태의 개발이 있을 것"이라며 "한국이 전고체와 리튬황 배터리 등 혁신 제품 개발에 열을 올렸다면, 중국은 그동안 안정성을 높이고 주행거리를 늘리는 방식으로 LFP 배터리 개선에 주력해 왔다"고 말했다.

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중국 기업들의 이러한 연구는 빛을 발하기 시작했다. NCM·NCA 같은 삼원계 배터리보다 성능이 떨어지고 무거워 외면받던 LFP 배터리가 시장의 판도를 바꾸고 있기 때문이다. 시장조사업체 SNE리서치는 LFP 배터리가 2030년 세계 이차전지 시장점유율 절반 이상을 차지할 것으로 전망했다. 이에 대응하기 위해 국내 배터리 3사들도 LFP 배터리 개발에 박차를 가하고 있다.

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김 대표는 "현재 만들어지는 LFP는 한 가지 물질만 들어간 것이 아니라 고상과 액상 합성법을 믹스해서 사용하는 등 가격을 줄이면서 안정성도 높이고 에너지 밀도를 올리려는 다양한 개선법을 찾아나가고 있다"며 "건식 혼합 생산과 연속공정 전구체 생산 시스템 채택 등으로 공정을 간소화해 비용도 낮췄다"고 설명했다.

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이어 "NCM에 비해 에너지 밀도가 떨어지고 저온에 약하다는 단점을 보완하기 위해 자동차 엣지 부분에는 NCM을 탑재하고 중간에는 LFP를 포진하는 배터리 팩을 만든다든지, LFP 배터리와 소듐이온배터리를 섞어서 배열하는 하이브리드 배터리팩 시스템이 중국에서 나오고 있다"며 "지난 20년간 소재 쪽에서는 개발이 이뤄지지 않았지만, 최근들어 소재 개발도 활발히 이뤄지고 있다"고 부연했다.

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대표적인 것이 차세대 배터리로 주목받는 LMFP 배터리다. LMFP는 양극재에 사용되는 철의 일부를 비교적 저렴한 망간으로 바꿔, LFP처럼 비용과 안전성을 유지하면서 에너지밀도는 더 높다.

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다만, 해결해야 할 기술적 난제들은 있다. 망간 비율을 높이면서 에너지 밀도를 더 증가시킬 수 있지만 망간 함량이 높을수록 구조적으로 불안해지기 때문이다. 이밖에 ▲이중 전압 플랫폼 ▲낮은 전자 전도성 ▲낮은 리튬이온 확산 속도 ▲고속 충방전 시 용량 손실 등의 문제가 있다.

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이를 해결하기 위해 ▲망간과 철의 비율 최적화 ▲나노 물질화 ▲입자 구조 및 형상 제어 ▲표면의 탄소 코팅과 벌크 상의 이온 도핑 등을 시도하고 있다.

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김 대표는 "망간을 도핑하는 것뿐만 아니라 최근 마그네슘, 징크, 알루미늄 등 다양한 것들을 도핑 소재로 많이 사용하고 있다"며 "에너지 밀도와 수명을 잡으면서 발화 안정성이라든가 구조적인 성능을 높이려고 하는 것이 최근의 화두"라고 말했다.

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그는 이어 "더 저렴하고 안정성을 높인 배터리를 만들기 위한 소재 연구는 계속될 것"이라며 "이를 위해 양극뿐 아니라 음극과 전해질, 분리막 등 4개 소재 모두 연구개발이 필요하다"고 강조했다.

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ZDNET Korea 2024/10/29

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中 LFP 의존도 높아진다...74% 차지

26%가 삼원계 배터리

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중국 승용차 친환경차(전기차, 하이브리드차) 시장에서 리튬인산철(LFP) 의존도가 높아지고 있다.

22일 중국 자동차유통협회 승용차시장 정보연석분회에 따르면, 8월 중국 자동차 시장에서 차량에 설치된 리튬 배터리 중 74%가 LFP였던 것으로 나타났다. 나머지 26%가 삼원계 배터리였다.

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8월 삼원계 배터리의 차량 설치 용량은 12.GWh로 지난해 같은 기간 보다 12% 증가한 반면, 같은 기간 LFP 배터리 차량 설치 용량은 35GWh로 지난해 같은 달 보다 46% 증가했다. 8월 전체 리튬 배터리 설치량은 47GWh로 지난해 같은 기간 보다 35% 증가했지만 이같은 성장을 LFP 배터리가 이끌고 있는 셈이다.

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1~8월 총 리튬 배터리 총 설치 용량은 292GWh로 지난해 같은 기간 보다 33% 늘었다. 배터리 기업별로 봤을 땐, 8월 CATL의 점유율이 46%, BYD의 점유율이 24%를 차지했으며, 두 기업의 점유율이 70%가 넘어 다른 후발 기업들을 큰 차이로 따돌리고 있다.

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특히 BYD는 전면적인 LFP로의 전환을 실시하면서 CATL 등 다른 기업 대비 LFP 시장에서 입지를 다져가고 있다.

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중국 시장에서 순수 전기 승용차용 배터리 수요가 올해 17% 증가한 반면 플러그인 하이브리드 승용차용 배터리 수요가 83% 증가하면서 높은 증가세를 보이고 있다는 점도 특징이다.

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ZDNET Korea 2024/09/24

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삼성SDI, 독일 IAA서 'LFP+ 배터리' 소개…"양산 협의 중"

전고체·46파이 등 전기차용 라인업 공개

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삼성SDI는 17일부터 22일까지(현지 시간) 독일 하노버에서 열리는 'IAA 트랜스포테이션 2024'에 참가한다고 18일 밝혔다. IAA는 짝수 해와 홀수 해에 각각 상용차, 승용차 부문으로 격년 개최되는 자동차 전시회다.

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삼성SDI는 '프라이맥스로 구현하는 지속가능한 미래'라는 주제로 전기 상용차에 최적화된 리튬인산철(LFP)+ 배터리를 비롯해 전고체 배터리, 46파이 원통형 배터리 등 차세대 배터리 라인업을 공개했다.

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삼성SDI의 LFP+ 배터리는 신규 극판 기술 적용으로 LFP 배터리 대비 에너지 밀도를 10% 이상 높였다. 하노버와 프랑크푸르트를 1천400번 이상 왕복 가능한 장수명 성능을 확보하고 20분에 80%까지 충전이 가능한 급속 충전 기술이 적용돼 장거리 운행이 필수인 상용차에 적합하다. 인접 셀로의 열 확산을 방지하는 열 전파 차단 기술을 적용해 안전성도 강화됐다.

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삼성SDI는 최근 LFP+ 배터리의 기술 개발을 완료하고 다수의 고객들과 양산 협의를 진행 중이다. 전기 상용차 시장은 유럽과 북미 등을 중심으로 내연기관 상용차에 대한 환경 규제들이 강화되며 잠재 성장성이 더욱 큰 시장이다. 시장조사기관 SNE리서치에 따르면 전기 트럭과 전기 버스 등 전기 상용차 시장은 올해 약 47GWh에서 연 평균 25% 성장해 2030년 177GWh까지 성장할 것으로 전망된다.

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삼성SDI는 차세대 배터리인 전고체 배터리와 46파이 배터리도 전시했다. 삼성SDI의 전고체 배터리는 무음극 기술로 에너지 밀도를 높였고, 지난해 말부터 고객사들에게 샘플을 공급하며 2027년 상용화를 계획 중이다. 46파이 원통형 배터리는 마이크로 모빌리티용 신규 고객 확보에 따라 계획 대비 1년 빠른 내년 초 양산할 계획이다.

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삼성SDI의 전시회 부스 내 '서스테이너블 퓨처 존'에서는 배터리 생산부터 폐기에 이르기까지 삼성SDI의 자원 순환 체계(클로즈드 루프 시스템) 구축을 비롯해 파트너사와 공급망 대상으로 확대하고 있는 ESG 경영 성과 및 전략을 살펴볼 수 있다.

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최윤호 삼성SDI 대표이사 사장은 "삼성SDI는 차별화된 기술력을 바탕으로 전기차 시장을 선도하기 위해 끊임없이 노력해 왔다"며 "글로벌 주요 고객사들과 긴밀히 협력해 최고의 품질과 안전성을 갖춘 배터리를 공급할 것"이라고 말했다.

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ZDNET Korea 2024/09/18

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K-배터리, 中 LFP 침범 어려운 전기 상용차 노린다

"트럭 등 상용차는 오래 가고 무게 가벼운 삼원계 배터리가 유리"

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중국 배터리 업체들이 리튬인산철(LFP) 배터리를 앞세워 시장을 잠식해 나가자 국내 배터리 업체들은 전기 상용차 시장에 주목하고 있다. 대형 트럭·버스·밴 등 전기 상용차 시장에서는 국내 기업들이 상대적으로 기술력이 뛰어나다는 평가를 받는 니켈·코발트·망간(NCM)과 니켈·코발트·알루미늄(NCA)와 같은 삼원계 배터리가 유리한 고지를 점할 수 있기 때문이다. 17일 업계 등에 따르면 국내 배터리 업계가 전기 상용차 수주에 공을 들이고 있다.

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전기 상용차는 전기차와 비교했을 때 차 한 대당 배터리 탑재량이 많고, 평균 운행거리가 길다. 교체 주기 또한 길고, 눈과 비 등 극한 환경 속에서 운행하는 경우가 잦다 보니 출력이 높고, 수명이 오래가며 무게가 가벼운 배터리를 선호한다. 그러다보니 평균단가가 더 비싸더라도 성능이 더 좋은 배터리를 택하는 경우가 많다. 장기 공급계약이 주로 이뤄지는 시장인 만큼 배터리사 입장에서는 안정성과 수익성을 둘 다 잡을 수 있는 시장이다.

■ 왜 상용차에서는 왜 삼원계가 더 유리하나

현재 중국 배터리 굴기 배경에는 중국 내수 시장이 거대한 것도 있지만, 공급사들이 저렴한 LFP 배터리를 선호한 까닭도 있다. 하지만 상용차 시장에서는 얘기가 달라진다. 특히 짐을 실어야 하는 차량의 경우엔 '무게'와 '장수명'이 중요한 요소로 고려되기 때문이다. 에너지 밀도가 더 높고 가벼운 삼원계 배터리가 유리한 이유도 여기에 있다.

NCA 배터리와 LFP 배터리 차이 (사진=LG에너지솔루션 배터리인사이드)

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LFP 배터리는 가격이 저렴하고 안정성이 높지만, 무겁고 에너지 밀도가 낮아 주행 거리 확보 측면에서 불리하다.

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업계 한 관계자는 "대형 트럭에는 대략 6개 배터리 팩이 들어가며, 트럭은 얼마나 많은 짐을 싣느냐가 굉장히 중요하기 때문에 배터리가 많은 무게를 차지할수록 불리하다"며 "결국에는 내연차와 비교해 주행거리가 비슷하면서도 팩을 작고 가볍게 만드는 게 향후 전기 상용차 시장의 핵심키가 될 것"이라고 관측했다.

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이정두 한국산업기술기획평가원 배터리 PD도 "일반 전기차는 100kWh 배터리를 탑재한다면, 트럭은 그 5~6배일 것"이라며 "배터리를 조금 쓸 때는 무게 차이가 크게 드러나지 않지만, 양이 많아질 때는 그만큼 무게 차이가 크기 때문에 대형 상용차일수록 LFP보다는 삼원계가 이론적으로 유리하다"고 말했다. 이어 "국내 배터리 업체들이 삼원계는 (중국 업체들보다)더 잘 만드니까 유리한 측면이 있다"고 덧붙였다.

■ LG엔솔, 10조원 넘는 대규모 계약 성공…삼성SDI는 볼보, SK온은 현대차

최근 LG에너지솔루션의 상용차용 배터리 대규모 수주 소식도 상용차 시장에서는 '프리미엄' 배터리가 대세라는 것을 보여주는 실례라는 분석이다.

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LG에너지솔루션은 지난 15일 포드와 총 109GWh 규모 전기 상용차 배터리 셀·모듈 장기 공급계약을 체결했다고 밝혔다. 고전압 미드니켈 파우치형 배터리를 포드 차세대 상용차에 탑재할 것으로 업계는 추정한다.

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포드는 유럽 상용차 시장 1위 기업이다. LG에너지솔루션은 경영상 비밀유지를 이유로 계약 금액은 밝히지 않았지만, 업계에서는 공급 물량으로 미뤄봤을 때 10조원이 넘을 것으로 보고 있다.

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삼성SDI는 2022년부터 상용차 배터리 셀과 모듈을 볼보에 직접 공급하고 있다. 세계 최초 대형 전기트럭 FH 일렉트릭은 삼성SDI 21700 하이니켈(91%) 원통형 배터리 2만8천여개를 탑재했다.

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SK온도 현대차가 상용 전기차 시장을 겨냥해 공개한 'ST1' 모델에 급속충전이 가능한 NCM 배터리를 탑재할 계획인 것으로 알려졌다.

■ 2030년 전기 상용차 시장 2.5배 커진다

전기차 캐즘을 지나고 있지만, 업계는 전기 상용차 시장 성장은 거스를 수 없는 흐름으로 본다. 시장조사업체 마켓츠앤마켓츠는 세계 전기 상용차 시장 규모는 올해 약 709억 달러(약 96조원)에서 2030년에는 약 2천556억 달러(약 348조원)에 이를 것으로 예상했다. 연평균 성장률(CAGR)은 약 23.8%로 예측했다.

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글로벌 전기상용차 시장 전망 (표=마켓츠앤마켓츠)

유럽자동차협회(ACEA)에 따르면 지난해 유럽 자동차 판매량 1천517만대 중 상용차는 232만대 수준이다. 친환경 규제를 가장 먼저 시행한 유럽은 상용차 전동화 속도가 가장 빠른 만큼 레퍼런스를 쌓을 수 있는 최적의 시장이라는 평가다. 자동차 전문 리서치 업체 LMC오토모티브에 따르면 2030년 기준 유럽 상용차 시장 내 전기차 침투율을 50% 이상으로 예상된다.

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ZDNET Korea 2024/10/17

 

 

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