리튬이온전지는 최근 크게 주목받고 있다. 가장 큰 이유는 에너지 밀도가 높고 에너지량에 비해 비용도 저렴하기 때문이다. 하지만 리튬이온전지에는 결점도 있다. 그 중 하나가 안전성 문제다.

 

다른 2차 전지인 납축전지나 니켈 수소 전지의 전해액이 물인 것에 반해, 리튬이온 전지의 전해액으로는 위험물인 유기 용제가 사용된다.

 

또한 전지의 내구성에도 문제가 있다. 하지만 최근에는 리튬인산철을 사용하는 새로운 형태의 리튬이온전지가 개발되고 있어, 이러한 문제들을 해결할 가능성이 생겨났다. 테슬라나 중국의 전지 회사는 일찍부터 리튬인산철계 전지를 생산 및 판매하기 시작했다.

 

리튬인산철(LFP) 구조식은 LiFePO4이며, 구성 원소는 리튬, 철, 인, 산소이다.

 

리튬인산철은 양극 활물질의 일종으로, 실제 가루는 검은색 형태이며, 크기는 20μm(1mm의 1/50)도 되지 않는 작은 입자다.

 

아래의 표에서 리튬인산철과 다른 대표적인 양극 활물질(삼원계와 니켈, 망간, 코발트로 만들어진 활물질 및 니켈, 코발트, 알루미늄으로 이루어진 니켈산 리튬)을 비교하고 있다.

 

또한 리튬인산철이 하나의 화학식 LiFePO4인 것에 반해, 다른 두 종류의 활물질은 금속 원소의 비율이 기업에 따라 튜닝되어 있어, 화학식으로는, 예를 들어 삼원계에서는 LiNixMnyCozO2와 같은 폭넓은 구조식이 되기도 한다. 따라서 성능에도 차이가 있다.

 

<표1> 리튬인산철 / 삼원계 / 니켈산 리튬

 

리튬인산철계 전지의 장점인 내구성과 안전성은 양극 활물질이 리튬인산철이기 때문에, 다른 양극 재료로는 도달하기 힘든 수준의 차이를 나타낸다. 내구성이라는 관점에서는 음극에 티탄산 리튬을 사용하는 전지 등도 고안되고 있지만, 양극의 활물질만으로 이 수준을 실현할 수 있는 건 현재로서는 리튬인산철뿐이다.

 

안전성과 관련해서는, 전지 자체보다 시스템적인 대책을 통해 이상 발열이나 발화가 일어날 가능성을 낮춘 것이 지금의 전지다.

 

리튬인산철계 전지의 장점인 내구성과 안전성은 양극 활물질이 리튬인산철이기 때문에, 다른 양극 재료로는 도달하기 힘든 수준의 차이를 나타낸다. 내구성이라는 관점에서는 음극에 티탄산 리튬을 사용하는 전지 등도 고안되고 있지만, 양극의 활물질만으로 이 수준을 실현할 수 있는 건 현재로서는 리튬인산철뿐이다.

 

안전성과 관련해서는, 전지 자체보다 시스템적인 대책을 통해 이상 발열이나 발화가 일어날 가능성을 낮춘 것이 지금의 전지다.

 

LFP 배터리는 가격이 저렴하지만 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧고 충전시간이 느려 전기차에 잘 사용되지 않았었는데 최근 기술력 발전으로 단점이 어느 정도 극복되면서 다시 주목받고 있다.

 

블룸버그NEF 애널리스트의 발표에 따르면, LFP 전지의 성장은 2023년 이후 정체되고, 전 세계 EV용 전지 시장의 약 40%에 안착할 것이라고 전망했다. 그리고 앞으로는 곧바로 새로운 화학 물질이 자동차에 탑재될 가능성이 크다고 한다.

 

LFP 배터리의 전기차 시장 점유율은 10% 미만에서 불과 4년 만에 거의 40%로 확대됐다.

 

<그림1> EV 배터리 종류별 점유율 전망 (단위: %)

자료 : BloombergNEF

 

전기차(EV)용 리튬이온전지의 양극재는 삼원계 양극재(NMC, 니켈ㆍ망간ㆍ코발트가 주성분)와 리튬인산철(LiFePO4 또는 LFP)이 우세를 보이고 있다.

 

일반적인 견해로는, NMC 배터리가 LFP보다 에너지 용량이 크다고 여겨진다. 따라서 주행 거리가 중요한 파라미터인 EV에 더 잘 맞는 것처럼 보일 수 있다. 한편, 더 고가이기도 하다.

 

많은 상용 배터리 기술 중에서도 리튬을 기반으로 하는 배터리는 2가지 주요 성능 지수가 뛰어나다. 바로 부피 에너지 밀도와 중량 에너지 밀도다.

 

<표2> 리튬인산철(LiFePO4)과 리튬이온전지의 특징 비교

자료 : https://etekware.com/ja/lifepo4-vs-lithium-ion/

 

최근 글로벌 EV 시장에서는 지원금이 전반적으로 축소, 폐지되면서, 완성차 업체들도 저가/보급형 모델 확산을 위하여 LFP 배터리 탑재를 적극 추진하고 있고, 이에 LFP 배터리를 탑재한 중국의 EV 수출이 확대되고 있다.

 

대외경제정책연구원의 “중국 LFP 배터리 공급망 분석 및 시사점” 자료에 따르면, 2021년 중국 內 LFP 배터리의 시장점유율이 삼원계 배터리를 추월했으며, 2022년에는 LFP 탑재량이 183.8GWh를 기록(전년대비 130% 증가)해 점유율이 62%로 상승했다.

2023년 3월에는 LFP 배터리의 중국 내 전기차 탑재 비중이 70%에 달했다.

 

<그림2> 중국 LFP 및 삼원계 배터리의 전기차 탑재량 및 점유율 변화

자료 : 每日经济新闻, 东方财富网, 财华社, 潇湘晨报 자료를 기반으로, 대외경제정책연구원 작성

 

이미 LFP 배터리는 중국 업체들이 시장을 리드하고 있으며, CATL이 중국 전기차 LFP 배터리 점유율 44%를 차지하며 시장을 주도하고 있다.

 

이에, 국내에서도 정부와 메이저 업체들도 적극 나서고 있다,

EV 배터리 업계 1위인 LG에너지솔루션은 2025년부터 차량용 LFP 배터리를 생산하고, 2026년부터는 미국 애리조나 공장에서 ESS용 제품 생산에 나서기로 하였으며, SK온은 이미 저가형 리튬인산철(LFP) 배터리 시제품을 선보였고, 삼성SDI도 2023년 3월에 진행한 주주총회 현장에서 LFP 배터리 사업에 주력하겠다고 밝힌 바 있다.

우리 정부도 세계 최고 품질의 리튬인산철(LFP) 배터리 개발을 목표로 233억 원 규모의 정부 연구개발(R&D) 과제를 추진하기로 했다.

 

<그림3> 정부의 배터리 전략

자료 : 산업통상자원부, 보도자료(2023.04.07.)

 

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