안전성과 긴 주기 수명 측면에서 LFP 배터리는 에너지 밀도가 낮지만 NMC 및 NCA보다 우수합니다. NMC와 NCA는 모두 LFP보다 에너지 밀도가 상당히 높지만 이 기사에서는 이러한 이점이 실험실 테스트에서만 관찰될 수 있음을 증명합니다. 팩 수준에서 LFP의 성능은 특정 에너지 및 에너지 밀도 측면에서 NMC의 성능과 일치합니다.
리튬 배터리 사용자는 정보에 입각한 결정을 내리기 위해 배터리 팩의 성능 데이터를 조사해야 합니다.
이 기사는 최근에 발표된 논문을 기반으로 작성되었습니다. “리튬 기반 배터리의 미래에 대한 비학문적 관점,” (Nature Communications, 2023년 XNUMX월) 이 백서는 가장 일반적인 리튬 기술에 대한 이론적 성능과 실제 성능 간의 중요한 차이점에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.
그림 1은 이론적 잠재력("이론")에서 설치된 장치의 실제 구현("팩")에 이르기까지 LFP 및 NCA 기술의 특정 에너지 및 에너지 밀도 감소를 보여줍니다. 셀 수준에서 비에너지(Wh/kg)와 에너지 밀도(Wh/L)의 현저한 대조에도 불구하고 팩 수준에서 평가할 때 두 기술 모두 유사한 성능을 나타냅니다.
| 성능 측정 | 이론 | 세포 수준 | 팩 수준 | |||
| NMC | LFP | NMC | LFP | NMC | LFP | |
| 비에너지(Wh/kg) | 700 | 350-370 | 250 | 160-180 | 130 | 130-140 |
| 에너지 밀도(Wh/l) | 2400 | 1100 | 700 | 330-380 | 250 | 210-230 |
표 1 NMC 대 LFP: 이론, 셀 및 팩 수준
표의 데이터는 LFP와 NCA 화학 물질을 비교한 그림 1을 기반으로 합니다. 이 비교를 위해 NCA와 NMC의 비에너지 및 에너지 밀도는 같다고 가정합니다. 그러나 실제로 다른 출처에서는 NMC와 NCA 간에 5~15%의 차이가 있을 수 있다고 제안합니다. LFP와 NMC(또는 NCA) 간의 성능 차이는 훨씬 큽니다.
이론적 계산에 따르면 NMC 화학은 LFP 화학의 비에너지 및 에너지 밀도의 최소 두 배를 가집니다. 그러나 셀 수준에서 NMC는 이러한 매개변수에 대해 LFP보다 1.5배만 우수하며 팩 수준에서는 두 가지 화학 작용이 유사하게 수행됩니다.
실제로 NMC 셀의 성능은 이론적 최대치의 36%인 반면 팩 성능은 이론적인 수준의 20% 미만입니다. 반면 LFP 셀의 성능은 이론 수준의 45~48%, 팩 성능은 이론 수준의 약 37% 수준이다.
배터리 화학 연구는 주로 단일 셀 성능을 다루며 셀이 모듈 또는 팩으로 조립된 후 감소된 특정 에너지 및 에너지 밀도 지표를 간과하는 경우가 많습니다. 이론 연구는 주로 기술 준비 수준 척도의 TRL1~TRL4 수준에서 수행됩니다. 학계 연구원은 일반적으로 최종 사용자 요구 사항과 확장성 및 산업용 배터리 생산에 대한 중요한 엔지니어링 단계에 익숙하지 않습니다. 배터리는 실제 작동과 다른 환경 조건에서 테스트되는 경우가 많으며, 열악한 실외 및 산업 환경에서 전력 소모가 많은 일부 애플리케이션의 경우 특히 그렇습니다.
또 다른 요인은 LFP 인기입니다. 배터리 제조업체는 산업용 배터리 팩을 조립하는 가장 효과적인 혁신 중 하나인 CTP(cell-to-pack) 기술과 함께 이러한 배터리 팩의 설계에 XNUMX년 이상 엔지니어링에 투자했습니다.
| 사이트 | 단계 | |
| 연구실 | 1TRL | 아이디어 공식화 |
| 2TRL | 개념의 증거 | |
| 3TRL | 코인셀 | |
| 4TRL | 소형 프로토타입 | |
| 파일럿 플랜트 | 5TRL | 대형 프로토타입, 하나 이상의 기능 또는 개념이 포함된 샘플 |
| 6TRL | MWh 규모의 제조, 이론상 기능 보호를 보장하는 모든 기능을 갖춘 샘플 | |
| GWh급 배터리 제조 공장 | 7TRL | EV급 프로토타입, 자동차 부품 승인 |
| 8TRL | GWh 규모의 제조, 차량 표준 운영 절차 | |
| 9TRL | 시스템 데모, 대규모 생산 | |
| 10TRL | 광범위한 채택, 리콜 없음 | |
표 2. 기술 준비 수준
CTP 기술은 리튬 이온 배터리의 설계 및 제조를 단순화하는 것을 목표로 합니다. 이 접근 방식을 통해 배터리 팩은 여러 셀을 통합하는 단일 장치로 설계되므로 기존 셀-투-모듈 배터리 팩에 필요한 상호 연결, 커넥터 및 기타 구성 요소가 필요하지 않습니다. CTP 접근 방식은 전도성 재료(알루미늄 및 구리), 케이블 및 배터리 케이스 내부의 사용 가능한 공간을 보다 효율적으로 사용합니다.
CTP는 전압 및 용량에 대한 팩 요구 사항을 일치시키기 위해 셀 대 모듈 기술이 제공하는 것보다 더 정밀하고 유연하게 특정 응용 분야에 맞게 배터리를 설계할 수 있도록 합니다. CTP 기술은 특히 자재 취급 산업의 지게차 및 기타 전력 소모가 많은 작업에 사용되는 것과 같은 대형 산업용 배터리의 경우 배터리의 크기, 무게 및 비용을 줄입니다.
LFP 기술의 장수명 및 향상된 안전성. 상업적으로 이용 가능한 세포 테스트에 대한 데이터는 "새로운 테스트가 증명: LFP 리튬 배터리는 NMC보다 오래 사용됩니다..” 예를 들어, LFP 배터리의 인화점 온도(특정 화학 물질에 대한 열 폭주가 가능한 경우)는 NMC 배터리보다 훨씬 높습니다. NMC 및 LFP 음극이 있는 리튬 배터리에 대한 자세한 내용은 그림 3을 참조하십시오.
LFP 배터리 부품은 NMC 부품보다 저렴합니다. 니켈과 코발트는 비싸고 종종 비윤리적인 채광 관행과 관련이 있습니다.
배터리 성능의 상당한 개선은 다음과 같은 점증적인 엔지니어링 발전에 뒤따랐습니다. 전지 수준(전해질 및 막 재료의 개선) 및 CTP 기술을 사용한 팩 수준.
LFP의 대량 생산은 배터리 셀 가격의 급격한 하락에 기여하여 98년 $5000/kWh에서 1991년 $101/kWh로 2021% 하락했습니다. 2022년에는 배터리 금속 가격이 급등했고 리튬의 경우 kWh당 가격이 인상되었습니다. 지난 XNUMX년 동안 처음으로 배터리. 이로 인해 NMC 배터리보다 저렴하고 안정적인 LFP 배터리가 지속적으로 선호되었습니다.
NMC 배터리보다 저렴하고 신뢰성이 높으며, LFP 배터리 EV 및 오프로드 전기 산업 차량을 포함한 많은 응용 분야에서 시장에서 가장 편리하고 저렴한 기술로 남아 있습니다.
LFP 기술은 CTP 기술을 통해 셀 및 팩 수준 모두에서 계속 발전하고 있습니다. 게다가, 개선된 배터리 관리 시스템 (BMS) 실시간으로 각 셀 방전을 최적화하고 배터리의 일상적인 성능을 점진적으로 향상시키며 사이클 수명도 연장합니다.
