경원엔터프라이즈, 에너지밀도 14% 향상 LFP 배터리 기술 확보

NCM계 원자재 급상승, 테슬라 LFP 배터리 변경발표 후 시장 관심 증가

▲ (주)경원엔터프라이즈 김희정 회장
 

㈜경원엔터프라이즈가 중국산 LFP(리튬인산철) 리튬이차전지보다 단위 무게당 및 단위 부피당 에너지밀도를 12%~14% 향상시킬 수 있는 LFP 리튬이차전지 기술을 확보했다고 밝혔다. 국가인증기관인 한국화학융합시험연구원에서의 성능시험 결과이다.

㈜경원엔터프라이즈는 한국 여성환경기술인 1호인 김희정 대표가 개발한 ‘무세제 세탁기 기술’에 관한 국제표준을 가진 중소기업으로 유명하다. 2008년 국제전기기술위원회(IEC)에서 국제표준으로 채택된 바 있다.


NCM계 원자재 급상승, 테슬라 LFP 배터리 변경발표 후 시장 관심 증가

현재 전기차 배터리 시장에서 LFP 배터리에 주목하는 이유는 테슬라가 작년 하반기에 모든 기본형 테슬라 모델에 LFP를 사용하겠다고 밝힌 것 때문이다. 테슬라의 배터리 변경사실 발표 이후, 메르세데스 벤츠, 포드, 폭스바겐, 현대차 등도 중저가형 모델에는 LFP 배터리 탑재를 밝혔다.

현재 전기자동차에 탑재되고 있는 상용 리튬이차전지를 크게 두 분류로 구분해 보면, 먼저 우리나라 기업(LG에너지솔루션, 삼성SDI 및 SK이노베이션)이 중점적으로 생산하고 있는 NCM계 리튬이차전지와 중국을 중심으로 한 LFP 리튬이차전지로 나눌 수 있다. 전기차 시장을 선도하는 테슬라의 LFP 변경 발표에 주목해야하는 이유이다.

전기차 회사들이 LFP에 관심을 갖는 하나의 이유는 NCM계의 구성요소인 니켈, 코발트, 망간 등 원자재 값이 계속 오르기 때문이다. LFP의 원자재는 상대적으로 저렴하고 채굴이 쉽다.


경원엔터프라이즈, LFP 단점 보완한 기술 확보

여러 장점에도 불구하고 LFP 리튬이차전지가 국내에서 그동안 외면 받았던 이유는 LFP 소재 특성상 이론적 에너지밀도가 낮고 전극의 두께/밀도를 높이는 기술이 없어 일충전 주행거리가 NCM계 리튬이차전지에 비해 떨어졌기 때문이다. 

그러나 LFP 리튬이차전지는 높은 안전성을 통해 리튬이차전지 모듈 및 팩 수준(실제 전기자동차에 사용되는 리튬이차전지 규모)에서 효율적인 공간 활용 및 배치를 가능하게 한다는 장점을 가지고 있다. 

  LFP 리튬이차전지는 급속충전(전체 리튬이차전지 용량의 80%까지 고출력으로 충전) 또한 25분 내에 가능하여 35분 이상 소요되는 기존 NCM계 리튬이차전지에 비해 출력면에서 우수하며, 이러한 특성은 전기자동차의 활용성 및 편의성을 상승시키기 때문에 소비자와 충전소에 필수적인 성능지표로 작용할 수 있다. 
 

▲ 경원엔터프라이즈 개발 LFP 리튬이차전지(KR-1, KR-2)와 중국산 LFP 리튬이차전지(CN)

㈜경원엔터프라이즈는 30년 이상 축적된 리튬이차전지 관련 기술을 통하여 그동안 LFP 리튬이차전지의 단점으로 지적되고 있는 낮은 에너지밀도 문제를 1) 전극 두께/밀도 증대기술, 2) 리튬이차전지의 용량, 출력 및 저온환경 성능 향상기술, 3) 리튬이차전지 양산공정 핵심기술, 4) LFP 소재 합성기술 등을 통해 해결하였다.

  아래 그림은 전극소재 고밀도화기술, 표면개질기술, 현탁액 혼합기술이 적용된 경원엔터프라이즈㈜ LFP 리튬이차전지 시제품(KR-1, KR-2)의 외양 사진과 방전특성을 나타낸 그래프.

동일 수준의 전지 무게 및 부피(두께)에서 개발 LFP 리튬이차전지(KR-1, KR-2)의 방전용량이 기존 중국산 LFP 리튬이차전지(CN)보다 12%~14% 향상되었으며, 이는 개발 LFP 리튬이차전지(KR-1, KR-2)의 단위 무게당 및 단위 부피당 에너지밀도가 기존 중국산 LFP 리튬이차전지(CN)보다 12%~14% 향상되었음을 나타낸다.

▲ 경원엔터프라이즈 개발 LFP 리튬이차전지(KR-1, KR-2)와 기존 중국산 LFP 리튬이차전지(CN)의 방전특성(용량) (사진제공= 경원엔터프라이즈)

   ㈜경원엔터프라이즈는 상기 기술의 완성도를 보다 높이고 LFP 소재에 고전도성을 부여하는 신기술을 접목하여 LFP 리튬이차전지의 용량을 기존 대비 20% 이상 향상시키는 기술개발 및 상용화를 진행 중이다. 또한 음이온수용체 개념의 새로운 첨가제를 개발하여 LFP 리튬이차전지의 단점인 저온특성을 향상시켰으며, 현재는 전해질용액 조성 최적화를 진행하고 있다. 

한편 아직까지 국내에서는 LFP 소재의 양산화가 이루어지지 못하고 있는데, 경원엔터프라이즈는 협력사와 공동으로 개발한 고유의 LFP 소재 합성기술을 바탕으로 LFP 소재의 양산화를 추진할 계획이다.


[Box] 전기차 배터리: NCM계 주도, LFP 부상

현재 전기차 배터리는 크게 NCM계와 LFP로 나뉜다. LFP는 중국이 주도한다. NCM계 리튬이차전지는 이론적 에너지밀도(단위 무게당 및 단위 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양)가 높아 이를 사용할 경우 전기자동차의 일충전 주행거리가 길다는 장점이 있어 보편적으로 사용되어 왔다. 

하지만, NCM계 리튬이차전지는 노후화, 급가속과 같은 과격한 사용, 여름철 고온 환경을 겪을 경우 리튬이차전지 내 국부적인 전위 및 전류 불균형이 일어나 화재발생 가능성이 상승하게 되고, 여기에 더해 NCM 리튬이차전지의 원재료인 니켈, 코발트 값의 상승과 대내외 환경 변화에 의한 수급 불안정성은 NCM계 리튬이차전지의 약점으로 지적되고 있다.

  이에 반해 LFP 리튬이차전지는 철과 인산염에 기반을 두고 있어 원재료 가격이 저렴하고 국내 수급 또한 가능하여 전기자동차의 가격경쟁력과 생산성을 높일 수 있다. 하지만, LFP 소재 특성상 이론적 에너지밀도가 낮고 전극의 두께/밀도를 높이는 기술이 단점으로 꼽혀왔다.

글. 브레인 편집부

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