이번 시간에는 3편 2차전지 산업의 기술 전망에 이어 21년 하반기 테슬라에서 모델 3 차량에 LFP 배터리 적용으로 인하여 논쟁 중인 삼원계(NCM, NCA)와 LFP 배터리 중 적합성 대한 사항에 대해 비교하여 여러분께 설명 드리도록 하겠습니다.
LFP 배터리는 현재까지 높은 에너지 밀도와 효율성을 중시하여 많이 사용되지는 않았던 2차 전지였습니다.
하지만 가격 경쟁력에서 앞선 LFP 배터리를 중국과 테슬라에서 적용함에 따라 적정성에 대한 논쟁이 끊이지 않고 있습니다.
삼원계(NCM,NCA) 배터리 VS 인산철(LFP) 배터리
본격적으로 NCM 과 LFP 배터리를 비교하기 전에 간략히 비교 설명드리겠습니다.
NCM 배터리는 삼원계 배터리로써 NCA와 더불어 삼원계 배터리의 대표 주자 입니다.
리튬이온 배터리의 양극재를 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 3~4개의 비철금속으로 구성한 배터리를 구성수에 따라 삼원계, 사원계 배터리로 정의합니다.
LFP 배터리는 코발트 대신 인산철로 구성하여 LFPO(LiFePO4)로 양극재를 구성하여 인산철계 배터리라고 정의합니다.
간략히 표로 비교하겠습니다.
위와 같이 NCM과 NCA는 삼원계 배터리로써 특징이 비슷합니다.
LFP 배터리와 NCM 배터리 특징
NCM 배터리를 삼원계 배터리 대표라 가정하고 LFP와 가격을 비롯해 생산 업체와 적용 전기차로 비교해 보겠습니다.
위의 표와 같이 LFP 배터리는 인산철이 포함된 배터리로써 가격과 안전성에 좋은 성능을 가지는 반면 NCM 배터리는 에너지 밀도(주행거리)가 좋고, 단위당 무게가 가볍습니다.
즉 동일한 에너지 밀도를 기준으로 NCM or NCA 배터리가 LFP 배터리에 비해 가볍기 때문에 차량의 경량화로 인하여 주행거리, 가속력 등에서 우의를 가집니다.
출처 : https://inside.lgensol.com
테슬라 모델 3 (ST+) NCA VS LFP
좀 더 객관적인 비교를 위해 전자신문에서 전기차 정보매체 ‘EV-DATABASE’ 자료를 기반으로 LFP 배터리와 NCA 배터리가 장착된 테슬라 모델 3(STANDARD PLUS) 분석자료를 보도록 하겠습니다.
LFP 배터리를 채택한 차량과 NCA 배터리가 장착된 차량의 ① 무게 차이는 125KG 이며, ② 주행 거리는 거의 비슷 하다는 결과가 아래와 같이 나왔습니다.
그러나 여기서 나오지 않은 정보가 있습니다. 테슬라 모델 3 LONG RANGE 의 경우에는 LFP 배터리 장착이 현재까지 불가능합니다.
이유는 모델3에 NCA의 경우 배터리 용량을 76KWh까지 장착할수 있지만, LFP의 경우 MAX 55 KWh로 ③ 물리적 장착 가능 배터리 용량이 NCA가 LFP보다 21 KWh(약 38%) 더 높기 때문입니다.
상기 이유로 현재 테슬라는 표준형 STANDARD 트림에 전 세계에서 가장 큰 중국 시장에 맞춰 가격이 싼 LFP 배터리 장착을 하여 가격을 낮춘 모델3를 출시해 공격적인 마케팅을 하고 있는 것입니다.
전기차 산업에서 삼원계(NCA,NCM) 와 인산철(LFP) 배터리 전망
삼원계 배터리는 가격이 비싼 코발트 비중을 낮추고 니켈의 비중을 높여 에너지 밀도를 상승시키는 하이니켈 양극재 개발을 통해 지속적인 기술 개발이 이뤄지고 있습니다. 또한 LFP 배터리 역시 에너지 밀도를 높일수 있도록 여러가지 개선을 하고 있습니다.
삼원계 (NCA, NCM) 배터리의 전망
NCM 양극재는 니켈, 코발트, 망간의 비중이 1:1:1 이었던 것을 리튬 이온 함유량을 결정 짓는 니켈의 함유량을 높히고, 반대로 가격이 비싼 코발트의 비중을 낮춰 에너지 밀도를 높히고 가격을 낮출 수 있는 하이니켈(High-Nickel) 양극재를 개발, 개선 중입니다.
NCM811 양극재가 바로 이것인데요. 니켈, 코발트, 망간의 비율이 8:1:1 비율로 구성된 하이니켈 양극재입니다.
현재 한국의 포스코퓨처엠 양극재 제조사는 니켈 비중을 90% 이상, 코발트 비중을 3% 이하로 낮추는 하이니켈 양극재를 개발 하고 있습니다.
인산철 (LFP) 배터리의 전망
전기차 제조사는 현재 CATL, BYD등과 협력해 셀투팩(CTP), 셀투씨(CTC)와 같은 방식으로 한정된 공간에 더 많은 배터리를 탑재할 방침으로 앞으로 LFP 배터리의 에너지 밀도는 10%정도 높아질것으로 예상됩니다. 반면에 LFP 배터리는 삼원계 배터리에 비해 약 30% 저렴하기 때문에 가격 경쟁력 우위를 선점할 수 있을 것으로 생각됩니다.
CATL, BYD등 LFP 배터리 개발 업체 중심으로 소재 기술 고도화를 통해 Kg당 140~160Wh 수준인 LFP 배터리 에너지 밀도를 180Wh 이상으로 높이고 있습니다. 현재 CATL은 LFP 배터리의 개량형으로, 음극의 흑연을 복수 층으로 나누고 표면에 가까운 곳을 다공질하는 한편, 안쪽은 고밀도화해 리튬이온의 출입을 쉽게 만든 셴싱(ShenXing) LFP 배터리를 발표하였습니다. 음극에 리튬이온이 들어가기 쉽다는 것은 급속 충전을 가능하게 한다는 것을 의미합니다. 위쪽에는 아무런 저항도 받지 않고 이동할 수 있고 아래는 고밀도화해 리튬이온이 빠르게 안쪽까지 움직일 수 있도록 했다는 설명입니다.
이로 인해서 저렴한 LFP 배터리에서도 초급속 충전을 가능하게 해 20~80%까지를 단 10분 만에 충전, 최대 400km를 주행할 수 있다는 것입니다.
최대 주행거리 700km, 10분 충전에 400km까지 주행이 가능한 LFP 배터리가 양산차에 적용될 경우, 시장 판도에 상당한 파장을 일으킬것으로 예상됩니다.
이렇듯 LFP 배터리도 지속적인 발전을 하고 있으며, 2~3년 이후에는 장거리형에도 LFP 배터리가 활용될 것으로 예상이 됩니다.
이런 움직임에 맞춰 한국의 배터리 제조업체인 LG에너지 솔루션과 SK온에서 LFP 배터리를 개발하겠다고 선언 하기도 했습니다.
현재의 전기차 시장에서는 ??
현재는 요약하자면 가성비에는 LFP 인산철 배터리가 고성능에는 NCM 삼원계 배터리가 사용된다고 생각하시면 됩니다.
아직까지는 테슬라 고성능 제품군 중에 인산철 LFP 배터리를 사용한 사례는 없습니다.
포르쉐나 BMW, 벤츠 등의 고성능에서는 주행거리와 가속성능이 필요하기 때문에 삼원계 배터리를 사용중이며, 향후 계획도 변동 사항 없습니다.
하지만 중,소형 저가형에는 LFP 인산철 배터리 사용이 향후 지속적으로 증가 될 것으로 점유율이 지속적으로 향상될것으로 예상됩니다.
전세계에서 전기차 시장은 중국 시장이 가장 크며, 중국 자국 LFP 배터리를 지원하는 정책에 힘입어 BYD 등 중국 업체의 점유율이 지속적으로 상승되고 있습니다.
따라서 배터리 점유율 역시 LFP 배터리 가 지속적으로 상승 중으로 아래와 같이 확인 됩니다.
하지만 결국 미래에는 삼원계 배터리도 인산철 배터리도 아닌 현재 한국에서 주력으로 개발을 하고 있는 전고체 배터리와 리튬황 배터리가 안전성 및 고 에너지 밀도로 인하여 대세가 될 수 밖에 없을 것입니다.
가격 역시 대량 생산에 따른 지속적으로 낮아질 것으로 기대 됩니다.
이번 시간에는 전기차 대표 2차 전지인 인산철 LFP 배터리와 삼원계 NCM, NCA 배터리를 비교 분석하고 향후 시장의 전망과 미래에는 어떻게 변화 할지 알아보는 시간이었습니다. 2차 전지에 관해서는 4편으로 마무리 하고 향후 새로운 기술이 나오면 여러분들께 설명할 수 있도록 하겠습니다.
감사합니다.