NCM(삼원계) 배터리와 LFP(리튬인산철) 리튬이온 배터리 비교, 에너지 (Secondary battery, energy) > 사전

1. 개요

NCM(Nickel Cobalt Manganese)와 LFP(Lithium Iron Phosphate) 리튬 이온 배터리의 차이점은 양극재로 사용되는 주요 화학구성 물질이 다르다는 점이다.

양극재 재료로 NCM 배터리는 리튬 코발트 산화물을 사용하고, LFP 배터리는 코발트 대신 인산철염을 넣은 양극재를 사용한다.

■ NCM 리튬이온배터리

NCM 리튬이온배터리는 양극재를 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 3~4개의 비철금속으로 구성한 경우 삼원계 혹은 사원계 배터리가 된다.

즉, 삼원계, 사원계 배터리가 리튬코발트산화물(LCO) 양극재를 기본으로 한다.

■ LFP 리튬이온 배터리

LFP 리튬이온배터리는 양극재를 코발트 대신 인산철을 넣어 LFPO(LiFePO4, 인산리튬)로 양극재를 구성한다.

배터리의 구성은 양극(Cathode)과 음극(Anode)이라는 두개의 전극과 전해질(Electrolyte)로 이뤄져 있다.

■ 에너지 발생원리

에너지 발생 원리는 충전된 배터리를 방전하면 리튬이온이 음극에서 전해질을 통해 양극으로 이동하고 전자는 외부 회로를 통해 집전체(Current Collector)로 이동한다. 이과정에서 전기자동차, 핸드폰 등을 작동시키는 에너지가 발생된다.

NCM 배터리는 LG, SK, 삼성 등 한국 업체들은 주로 생산하고 있으며, LFP 배터리는 주로 중국 업체들이 생산하고 있으나 최근에는 국내 기업에서도 많은 연구와 생산을 계획하고 있다.

2. NCM(Nickel Cobalt Manganese) 리튬이온 배터리

 1) 구성

삼원계(NCM) 배터리의 양극재는 니켈(Ni)·코발트(Co)·망간(Mn)를 포한하는 산화물로 구성된다.

양극재를 구별할 때 622, 333 등의 숫자로 보실 수 있다. 여기서 숫자는 구성 성분비를 나타내며, 622의 경우 니켈 60%, 코발트 20%, 망간 20% 비율로 구성된 양극재임을 의미한다.

니켈(Ni)·코발트(Co)·망간(Mn)의 함량에 따라 양극재의 화학적 특성이 변하는데, 일반적으로 니켈 함량이 높을수록 용량은 높아지는 반면 소재의 열 안전성은 낮아지는 특성이 있다. 

 2) 장단점

- NCM 배터리는 LFP 배터리에 비해 에너지 밀도가 높아 사용시간이 길다.

- 고출력 및 고속 충전이 가능하다.

- 추운 기후에서 충전성능이 빠르다.

- 코발트와 같은 재료가 비싸며, 이는 전체 배터리 비용을 증가시킨다.

- 고온이나 손상 시 열적으로 불안정할 수 있다.(열폭주 위험; Risk of Thermal Runaway)

3. LFP(Lithium Iron Phosphate) 리튬이온 배터리

1) 구성

LFP 배터리는 양극재로 코발트보다 가격이 저렴한 철(Fe) 화합물, 즉 리튬 인산철(Li-FePO4)을 사용하는 배터리를 말한다

LFP 배터리는 리튬 인산철(Li-FePO4)을 양극재로 사용하여 최근 기술 진화로 에너지 밀도가 향상되고, 전기차 가격 경쟁이 가열되면서 LFP 배터리를 탑재하는 글로벌 완성차 업체의 관심이 증가하고 있다

2) 장단점

- 코발트를 사용하지 않아 배터리 가격이 저렴하다.

- 수명이 길며 350도 이상의 고온에서도 폭발하지 않아 안정성이 높다

- 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧고, 순간 출력이 약하다.

- 에너지 밀도가 낮아 같은 크기의 배터리로는 더 적은 에너지를 저장한다

- 동일에너지를 저장하기 위해서는 무게가 무거워진다

- 추운 온도에 더 민감하다

4. 배터리 특성 비교

 1) 에너지 밀도

 - NCM: 높은 에너지 밀도로 배터리의 용량이 크다. 따라서 전기차의 주행 거리를 늘리는 데 유리합니다. 또한 고출력을 제공하여 빠른 충전과 강력한 가속이 가능합니다.

 - LFP: 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 가져 뛰어난 내구성과 안정성을 제공합니다. 이로 인해 용량은 작지만, 장기적으로 더 안정적이고 안전한 성능을 보입니다.

 2) 가격

 - NCM: 코발트와 같은 귀금속의 사용으로 인해 제조 비용이 더 높아 배터리의 가격을 증가시킨다.

 - LFP: 코발트를 사용하지 않고, 철은 풍부하고 저렴하기 때문에 상대적으로 비용이 저렴하다.

 3) 안전성

 - NCM: 고온 상태에서 열적으로 불안정할 수 있으며, 이는 화재나 폭발의 위험을 증가시킬 수 있다.

 - LFP: 열적으로 매우 안정적이며, 과열이나 손상 시에도 화재나 폭발의 위험이 낮다.

 4) 수명

 - NCM: 일반적으로 높은 에너지 밀도와 성능을 제공하지만, 충전 사이클 수가 LFP 배터리에 비해 적을 수 있다.

 - LFP: 더 긴 수명을 제공하며, 수천 번의 충전 사이클 이후에도 상대적으로 용량이 유지된다.