Tesla의 새로운 배터리 선택인 리튬인산철 배터리 자세히 살펴보기

Aug 24, 2023

이전에는 인산철리튬(LFP) 배터리가 리튬 이온 배터리로 대체되었지만, 이는 EV 제조업체 간에 변화가 있을 수 있습니다. Tesla의 2021년 3분기 보고서에서는 회사가 모든 표준형 차량에서 LFP 배터리로 전환할 계획이라고 발표했습니다.

이 소식은 차세대 전기 자동차(EV)에서 LFP 배터리가 점점 더 인기를 얻고 있는 추세를 반영합니다.

LFP 배터리는 양극으로 금속 지지대가 있는 흑연 탄소 전극과 함께 음극 재료로 인산철리튬(LiFePO4)을 사용합니다. 많은 음극 재료와 달리 LFP는 두 개 이상의 음전하를 띤 원소로 구성된 다중음이온 화합물입니다. 그 원자는 니켈 망간 코발트의 2D 슬래브와 비교하여 리튬 이온의 3D 네트워크를 형성하는 결정 구조로 배열됩니다.

LFP 배터리는 다른 리튬 이온(Li-ion) 배터리와 유사하게 작동하며 양극과 음극 사이를 이동하여 충전 및 방전됩니다. 그러나 인산염은 산화코발트나 산화망간에 비해 독성이 없는 물질이다. 게다가 LFP 배터리는 2,000~3,000회 범위의 더 높은 충전 주기에서 일정한 전압을 제공할 수 있습니다.

LFP 배터리는 단순히 연결된 셀 이상으로 구성됩니다. 여기에는 배터리가 안전한 한도 내에서 유지되도록 보장하는 시스템이 포함되어 있습니다. 배터리 관리 시스템(BMS)은 모든 작동 조건에서 배터리를 보호, 제어, 모니터링하여 안전을 보장하고 배터리 수명을 연장합니다.

인산철리튬 셀은 대체 셀보다 내구성이 뛰어나지만 충전 중 과전압의 영향을 받아 성능이 저하될 수 있습니다. 음극 물질도 산화되어 안정성이 떨어질 수 있습니다. BMS는 각 셀을 제한하고 배터리 자체가 최대 전압으로 유지되도록 합니다.

전극 재료가 파손됨에 따라 저전압이 문제가 됩니다. BMS는 셀이 너무 낮게 떨어지면 회로에서 배터리를 분리할 수 있습니다. 또한 과전류 조건에 대한 백스톱 역할을 하며 단락이 발생하면 작동을 차단합니다.

LFP 배터리의 에너지 밀도는 대체 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)보다 낮고 작동 전압도 낮습니다. 이러한 과제에도 불구하고 EV 차량에서 LFP 배터리의 이점을 부정하는 것은 불가능합니다.

LFP는 니켈이 풍부한 NMC보다 킬로그램당 70%나 낮은 것으로 추정되는 등 저렴한 비용으로 알려져 있습니다. 비용상의 이점은 화학적 조성에서 비롯됩니다. 철과 인은 전 세계적으로 엄청난 규모로 채굴되며 많은 산업 분야에서 널리 사용됩니다.

2020년에 보고된 LFP 배터리의 최저 셀 가격은 처음으로 kWh당 100달러 미만에 도달했습니다. LFP 배터리는 환경에 미치는 영향도 적습니다. 공급이 제한적이고 비용이 많이 들며 환경에 더 큰 영향을 미치는 니켈이나 코발트를 포함하지 않습니다.

LFP 배터리는 셀의 용량 손실 속도가 느리기 때문에 다른 리튬 이온 배터리보다 수명이 더 깁니다. 작동 전압이 낮다는 것은 셀이 용량에 영향을 미치는 반응이 덜 발생한다는 것을 의미합니다.

일관된 방전 전압과 낮은 내부 저항을 통해 LFP 구동 차량은 더 빠르게 전력을 공급하고 더 높은 충전/방전 효율을 달성할 수 있습니다.

LFP는 열적, 화학적으로 안정적이므로 오용이나 구조적 손상으로 인한 폭발이나 화재가 발생할 가능성이 적습니다. 리튬 코발트 산화물 배터리에서는 음의 온도 계수를 갖는 코발트가 누락되어 열 폭주가 발생할 수 있습니다.

LFP는 니켈이 풍부한 NMC에 비해 열의 6분의 1을 방출한다고 합니다. Co-O 결합은 LFP 배터리에서도 더 강하므로 단락되거나 과열되면 산소 원자가 더 천천히 방출됩니다. 더욱이, 완전히 충전된 셀에는 리튬이 남아 있지 않으므로 다른 리튬 셀의 일반적인 발열 반응에 비해 산소 손실 중에 저항력이 높습니다.

LFP 배터리는 대체 배터리보다 저렴하고 안정적이지만, 대규모 채택을 방해하는 주요 요인은 에너지 밀도였습니다. LFP 배터리의 에너지 밀도는 15~25%로 다른 배터리보다 상당히 낮습니다. 그러나 이는 상하이에서 만든 Model 3에 사용된 것과 같은 더 두꺼운 전극으로 바뀌기 시작하여 359Wh/리터의 에너지 밀도를 제공합니다.