리튬인산철(LFP) 배터리 늦었지만 시작이다.

세계 최고 품질의 리튬인산철(LFP) 배터리 개발을 목표로 233억원 규모의 정부 연구개발(R&D) 과제가 추진된다. 이를 통해 글로벌 배터리 판매량의 35%를 점유하고 있는 전기차용 리튬인산철(LFP) 배터리 시장에서도 우리 기업들의 본격적인 진입과 활약이 기대된다.

 

산업통상자원부(이하 산업부)는 지난 4.28일(금) ｢고성능 리튬인산철전지 양극소재, 전해액, 셀 제조기술 개발｣ 사업의 수행 기관을 확정하였으며, 세계 최고의 성능을 가진 리튬인산철(LFP) 배터리 개발을 목표로 민‧관이 함께 향후 4년간(’23 ~ ’26년) ’233억원(정부 164억, 민간 69억)을 투입할 계획이다. 그동안 리튬인산철(LFP) 배터리는 가격적인 이점에도 불구하고, 낮은 에너지 밀도와 짧은 주행거리 등으로 한계가 명확하다는 평가가 있었다.

 

그러나 핵심 광물 가격이 급등하는 상황에서 니켈‧코발트 등을 사용하지 않고, 최근 배터리 자체의 성능도 개선되며 전세계 시장에서 급성장하고 있다. ‘20년 16%에 불과하던 점유율이‘22년에는 35%까지 증가하였다. 그 동안 리튬인산철(LFP) 배터리는 중국 기업들의 전유물로만 인식되었지만, 이 같은 시장 변화에 따라 우리 기업들과 정부도 발 빠르게 움직이고 있다.

 

LG에너지솔루션은‘26년 양산을 목표로 미국 애리조나에 세계 최초 에너지 저장시스템(ESS) 전용 공장을 건설할 계획이며, SK온은 지난 3월 인터배터리 전시회를 통해 자동차용 리튬인산철(LFP) 배터리 시제품을 최초 공개한 바 있다. 정부도 금년부터 리튬인산철(LFP) 배터리 기술개발 사업을 본격 시작해 우리 기업들의 기술개발과 경쟁력 확보를 적극 지원할 계획이다. 산업부 이창양 장관은 지난 4.20(목) 윤석열 대통령 주재 국가전략회의에서 리튬인산철(LFP) 배터리에서도 세계 최고의 경쟁력을 확보하는 등 배터리 전제품의 세계시장 석권을 위한 민‧관의 대응 노력을 발표한 바 있다.

 

프로젝트의 두 가지 주요 목표는 ➊리튬인산철(LFP) 배터리 양극 소재의 국산화, ➋세계 최고 에너지 밀도를 가진 리튬인산철(LFP) 배터리셀 제조 기술 개발이다. 특히 세계 최고의 에너지 밀도(현재 160Wh/kg→목표 200Wh/kg) 제품 개발을 위해 기존보다 양극 전극을 두껍게 만들어 최대한 많은 리튬 이온들이 셀에 포함 될 수 있도록 하고, 두꺼워진 양극 전극이 리튬 이온의 자유로운 이동을 제약하지 않도록 적합한 전해질도 개발할 계획이다.

 

이를 위해 동 프로젝트에는 삼성SDI‧ 쉐메카(배터리), 에코프로비엠(양극재), 동화일렉트로라이트(전해질), 씨아이에스 (장비) 등의 주요 기업들이 모두 참여하게 된다. 이 밖에도 경기대‧서강대‧서울과 학기술대‧성균관대‧아주대‧한양대 등의 학계, 세라믹기술원‧기계전기전자시험연구원‧ 화학연구원 등의 연구기관도 참여해 우리 기업들의 신기술 개발을 지원한다. 주영준 산업정책실장은“이번 프로젝트를 통해 우리 기업들이 현재의 기 술보다 높은 수준의 리튬인산철(LFP) 배터리 기술 개발에 성공한다면,

 

배 터리 전 품목에서 세계적인 경쟁력을 확보하게 될 것이다.”고 기대했다. 이어,“이번 프로젝트에는 배터리 기업뿐 아니라, 소재‧장비 기업 등이 모두 참여하는데, 앞으로 이러한 방식의 프로젝트를 확대해 소부장부터 완제품까지 모든 밸류 체인에서 세계시장 석권이 가능한 산업 생태계를 만들어 나가겠다.”는 각오도 함께 밝혔다.

 

출처 : 산업통상자원부

 

 

 

 

 

L F P (리튬, 인산, 철)

 

 

이차전지 시장은 전기자동차, 에너지저장장치(ESS), IT기기 등 다양한 분야에서 활용되는 핵심 부품으로서 글로벌 경쟁이 치열해지고 있다. 특히, 기후변화 대응을 위한 탄소중립 정책의 확산과 전기차 수요의 증가로 인해 이차전지의 수요는 계속해서 높아질 것으로 예상된다. 이에 따라 이차전지의 성능과 안전성을 높이고 가격을 낮추기 위한 기술 개발과 생산 확대가 필요하다.

이차전지는 양극, 음극, 분리막, 전해질 등의 주요 소재로 구성되며, 각 소재의 특성에 따라 전지의 용량, 출력, 안전성 등이 결정된다. 이 중에서 양극 소재는 전지의 용량과 에너지 밀도에 큰 영향을 미치는 요소로서, 현재는 삼원계 리튬이온배터리(Li-Ni-Co-Mn-O2)가 주류를 이루고 있다. 하지만 삼원계 양극 소재는 코발트와 니켈과 같은 희귀금속을 사용하기 때문에 가격이 높고 공급이 불안정하며, 고온에서 산소를 방출하여 화재 위험이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 철을 주요 원소로 사용하는 리튬인산철(LiFePO4, LFP) 배터리가 주목받고 있다. LFP 배터리는 코발트와 니켈을 사용하지 않기 때문에 가격이 저렴하고 자원 공급이 안정적이며, 인산 음이온군((PO4)3-)의 열적 안전성이 높아 발화성을 차단할 수 있다. 또한 부피 변화가 적어 수명 특성도 우수하다. 다만 LFP 배터리는 삼원계 배터리에 비해 에너지 밀도가 낮고 리튬이온 확산 계수가 작아 고율 특성이 좋지 않으며, 낮은 전기 전도도로 인해 출력 속도가 느리다는 단점이 있다.

따라서 LFP 배터리의 성능 개선을 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어 LFP 입자 표면에 탄소나 그래핀과 같은 도전성 소재를 코팅하거나 이종 원소를 도핑하여 이온 및 전자 전도도를 향상시키는 방법이 있다. 또한 LFP 구조를 나노화하거나 복합화하여 리튬이온 확산 거리를 단축시키고 충방전 효율을 높이는 방법도 연구되고 있다.

LFP 배터리는 현재 중국에서 주로 생산되고 있으며, 중국 정부는 LFP 배터리의 안전성과 가격 경쟁력을 강조하면서 국내 시장에서의 점유율을 높이고 있다. 한편 우리나라에서는 LG에너지솔루션과 SK이노베이션 등 주요 이차전지 업체들이 LFP 배터리 생산에 본격적으로 진출하고 있으며, 국내외에서 ESS용 및 단거리 주행용 전기차용 전원으로 LFP 배터리의 수요가 증가하고 있다.

 

 

LFP 배터리는 삼원계 배터리와 비교하여 에너지 밀도 면에서 한계가 있으나, 저렴하고 안전하며 수명이 긴 장점을 가진다. 따라서 LFP 배터리의 성능 개선과 생산 확대를 위한 기술 개발과 정책 지원이 필요하다.

 

 

 

 

 

 

 

 

2차 전지의 구성

 

 

 

 

2차전지는 양극재, 음극재, 분리막, 전해액으로 구성되어 있으며, 이들은 전지의 용량, 수명, 안전성 등을 결정하는 중요한 요소이다. 이차전지의 원가에서도 4대 소재가 차지하는 비중은 **양극재 50%, 음극재 15%, 분리막 20%, 전해액 15%** 수준이다.

- 양극재: 양극재는 충전 시에 음극에 리튬을 공급하는 역할을 하며, 주로 코발트, 니켈 등의 천이금속과 리튬의 복합산화물로 만들어진다 . 에너지 밀도를 높이고 원가를 절감하기 위해 코발트의 함량을 줄이고 니켈의 함량을 늘린 high-Ni NCM 양극재가 개발되고 있다. 또한 안전성을 강화하기 위해 알루미늄을 첨가한 NCMA 양극재나 단결정형 양극재도 연구되고 있다. 중국에서는 LFP (리튬인산철) 양극재를 사용한 저가격 전지의 개발도 활발하다.

- 음극재: 음극재는 충전 상태에서 리튬을 저장하고 있다가 방전 시 리튬을 방출하는 역할을 하며, 주로 흑연 (Graphite)이 사용된다 . 에너지 밀도를 높이기 위해 용량이 큰 실리콘 (Si)을 흑연에 복합화한 음극재나 리튬 메탈을 직접 사용하는 연구도 진행되고 있다. 충전 시간을 단축하기 위해서는 실리콘-복합 음극재의 사용이 유리하다.

- 분리막: 분리막은 양극과 음극의 단락을 방지하며, 주로 폴리올레핀 계열의 절연성 폴리머가 사용됩니다 . 미세한 기공들을 포함하고 있어서 리튬 이온을 함유한 전해액이 통과할 수 있게 되어 있다 . 안전성 강화를 위해 세라믹 코팅이 된 폴리머나 고체 전해질이 사용되는 경우도 있다.

- 전해액: 전해액은 카보네이트 계열의 유기용매에 리튬염을 용해시킨 것으로서 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 통로 역할을 한다 . 전해액의 성능은 전지의 안정성과 수명에 영향을 준다.

2차전지 4대 소재는 전기차 시장의 성장과 함께 다양한 기술 개발이 이루어지고 있으며, 에너지 밀도, 저원가화, 충전 시간, 안전성 등의 키워드를 중심으로 연구되고 있다. 또한 친환경성에 대한 요구도 점점 강해져서 원자재 확보와 재활용 기술 개발에도 많은 관심이 필요하다.

 

 

 

2차 전지 동향

 

 

 

 

 

 

 

양극재는 2차전지의 성능과 수명을 결정하는 핵심 소재이다. 양극재는 리튬이온을 저장하고 방출하는 역할을 하며, 양극재에 사용되는 금속 성분의 종류와 비율에 따라서 배터리의 용량, 에너지밀도, 안정성 등이 달라집다. 현재 가장 많이 사용되는 양극재는 니켈계(NCM·NCA)와 인산철계(LFP) 방식이다.

니켈계(NCM·NCA)는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 등의 금속 성분을 조합한 삼원계 배터리로, 에너지밀도가 높고 주행거리가 긴 전기차에 적합하다. 단점은 코발트와 니켈이 비싸고, 니켈 함량이 높아질수록 안정성이 떨어진다는 점이다. 따라서 니켈 함량을 높이면서도 안정성을 유지하기 위한 기술 개발이 필요하다.

인산철계(LFP)는 리튬(Li), 인산(PO4), 철(Fe) 등의 금속 성분을 조합한 배터리로, 코발트와 니켈을 사용하지 않아 저렴하고 안정적이다. 단점은 에너지밀도가 낮고 주행거리가 짧다는 점이다. 따라서 에너지 밀도를 높이기 위한 기술 개발이 필요아다.

양극재의 기술 개발은 2차전지 산업의 경쟁력을 높이는 핵심 요소이다. 포스코케미칼은 국내 최대의 양극재 생산업체로서, 하이니켈 NCM 및 NCMA 양극재의 고용량화, 장수명화, 고안전화를 중점적으로 연구하고 있다다. 또한 차세대 양극재로 주목받는 실리콘 음극재와 리튬메탈 음극재의 선행 개발도 추진하고 있다. 포스코그룹은 원료 공급부터 양극재 생산까지 일관된 시스템을 구축하여, 2차전지 소재 사업에서 글로벌 선도기업으로 도약하기 위해 노력하고 있다.

 

 

인산철계(LFP) 양극재는 배터리 산업에서 중요한 역할을 하고 있다. 이 양극재는 니켈계(NCM, NCK) 양극재보다 안전성과 가격경쟁력이 뛰어나며, 고에너지밀도를 달성하기 위한 다양한 기술개발이 진행되고 있다. 

 

인산철계(LFP) 양극재는 리튬이온 배터리의 양극재로 사용되는 화학물질입니다. 이 양극재는 리튬과 철, 인으로 구성되어 있으며, 다음과 같은 장점을 가지고 있다.

- 안전성: 인산철계(LFP) 양극재는 니켈계 양극재보다 열적 안정성이 높아서 과열이나 화재의 위험이 낮다. 또한, 과충전이나 과방전에도 강하고, 전압 변화에도 민감하지 않습니다.

- 가격경쟁력: 인산철계(LFP) 양극재는 철과 인과 같은 저렴하고 풍부한 원료로 만들 수 있어서 니켈계 양극재보다 비용이 낮습니다. 또한, 코발트와 같은 희귀금속을 사용하지 않아서 공급 위험도 낮다.

- 환경친화성: 인산철계(LFP) 양극재는 코발트와 같은 유해한 물질을 배출하지 않아서 환경에 미치는 영향이 적습니다. 또한, 재활용이 용이하고, 수명이 길어서 자원 낭비도 줄일 수 있습니다.

하지만 인산철계(LFP) 양극재에도 단점이 있습니다. 그것은 바로 에너지밀도가 낮다는 점입니다. 에너지밀도란 단위 부피나 단위 질량당 저장할 수 있는 에너지의 양을 의미한다. 에너지밀도가 높으면 배터리의 용량이 커지고, 크기와 무게가 줄어든다. 인산철계(LFP) 양극재는 니켈계 양극재보다 에너지밀도가 약 30% 정도 낮다. 이는 배터리의 성능과 효율에 영향을 미친다.

인산철계(LFP) 양극재의 에너지밀도를 향상시키기 위해 여러 가지 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그 중에서 대표적인 것은 CTP/CTC 기술과 LMFP 양극재입니다.

CTP/CTC 기술은 배터리 구조를 간소화하여 공간 활용도를 높이는 기술이다. 기존의 배터리 구조는 셀⇒모듈⇒팩의 순서로 구성되어 있다. 셀은 리튬이온 배터리의 기본 단위로, 모듈은 여러 개의 셀을 연결한 것이다. 팩은 모듈과 보호회로 등을 포함한 최종 제품이다. CTP(Cell to Pack) 기술은 모듈을 생략하고 셀을 바로 팩에 탑재하는 기술이다. CTC(Cell to Chassis) 기술은 팩까지 생략하고 셀을 차량의 섀시(차대)에 직접 탑재하는 기술이다. 이러한 기술들은 배터리 구조를 간소화하여 공간 활용도를 높여준다. 이는 배터리 탑재 용량을 증대시키고, 에너지밀도를 향상시킨다.

LMFP(Lithium Manganese Iron Phosphate) 양극재는 인산철계(LFP) 양극재에 망간(Mn), 알루미늄(Al), 아연(Zn) 등의 타 화학소재를 합성하여 에너지밀도를 증대시키는 기술입니다. LMFP 양극재는 기존 LFP 대비 에너지밀도가 약 15% 정도 증가할 것으로 예상된다. LMFP 양극재는 현재 개발 중인 단계로, 2023년부터 양산될 것으로 전망된다.

인산철계(LFP) 양극재는 배터리 산업에서 중요한 역할을 하고 있다. 이 양극재는 안전성과 가격경쟁력이 뛰어나며, 고에너지밀도를 달성하기 위한 다양한 기술개발이 진행되고 있다.인산철계(LFP) 양극재는 앞으로도 배터리 산업의 핵심 소재로 남아있을 것으로 보인다.