지난 20년 동안 리튬이온 물질에 기반한 배터리가 스마트폰에서 전기차까지 다양한 충전 용도에서 가장 많이 선택되는 배터리가 되었습니다. 그러나 리튬이온 배터리가 모두 같은 것은 아닙니다. 친환경적인 그린 솔루션의 측면에서는 LiFePO(LFP) 배터리가 단연 앞섭니다.
니켈-금속 수소화물(NiMH) 또는 오래된 납산 같은 충전 배터리 물질 대신 왜 리튬이온일까요? 원자 번호가 3인 리튬은 가장 가벼운 금속입니다. 리튬은 전기화학 전위가 가장 크고 중량당 비에너지가 가장 큽니다. 이는 배터리에서 상당한 이점입니다. 안타깝게도 금속성 리튬은 불안정하고, 인화성이 있어 공기나 물에 노출될 경우 폭발할 수도 있습니다. 따라서 연구자들은 오랜 시간 보다 안정적인 리튬 화합물 기반의 배터리를 집중적으로 연구했습니다.
리튬이온 충전 배터리 셀의 주된 화합물은 양극(캐소드), 음극(애노드), 전극입니다. 캐소드는 삽입되는 리튬 화합물로 구성됩니다. 즉 충전이나 방전 시 리튬 이온이 가역적으로 포함되거나 삽입될 수 있는 층상 구조입니다. 특성이 서로 다른 몇 가지 공통된 캐소드 화합물이 있습니다. 애노드는 주로 그래파이트 재질입니다.
전해액은 에틸렌 카보네이트나 디베틸 카보네이트 같은 유기 용매에 리튬염이 들어 있는 형태입니다. 작동 중 방전 시에는 리튬 이온이 애노드에서 캐소드로 이동하고 충전 시에는 반대 방향으로 이동합니다. 리튬 폴리머(LiPo) 배터리는 폴리머 겔을 전해질로 사용합니다.
리튬 이온은 공칭 셀 전압이 3.6V로 NiMH(1.5V)이나 납산(2.0V) 보다 높습니다. 따라서 EV 트랙션 모터 같은 용도에서는 소수의 셀만 직렬로 쌓아도 높은 전압을 낼 수 있습니다.
LFP – 환경을 위한 최상의 선택
그 이름에서 알 수 있듯이 LFP 배터리는 리튬 이온 유래 화학물질을 사용하기 때문에 장점과 단점이 다른 리튬이온 배터리 유형과 비슷합니다. 모든 리튬이온 배터리는 제조할 때 에너지가 사용되므로 리튬과 기타 주요 성분을 채굴해야 합니다. 그러나 환경 보호의 측면에서는 이 둘 사이에 큰 차이가 있습니다.
리튬 니켈 망간 코발트 산화물("NMC") 또는 리튬 코발트 산화물 LiCoO2 같이 흔히 사용되는 캐소드는 공급이 제한되는 고가의 물질인 니켈과 코발트가 필요합니다. 코발트 채굴에는 광산 안전성과 아동 노동 같은 인권 문제가 끊이지 않습니다. 니켈 채굴과 관련된 환경 문제에는 온실가스 배출, 서식지 파괴, 공기, 물, 토양 오염이 있습니다.
LFP 배터리는 리튬 인산철(LiFePO4)을 캐소드로 사용하는데, 그래파이트 재질의 애노드가 금속성 배킹부와 연결되어 있습니다. LFP 캐소드에는 풍부해서 원가가 낮은 비독성 물질인 철과 인산염이 사용됩니다.
LiFePO4 배터리가 사용되는 친환경 용도
리튬이온 배터리가 사용되는 용도에는 백업 전력과 UPS, 스마트폰이나 랩톱 같은 소비가전, 전기차, 에너지 저장 장치가 있습니다.
전기차 같은 용도에서는 에너지 밀도가 높아 주어진 크기에서 더 큰 범위로 전환되는(공간이 협소한 EV 환경에서 중요한 요구사항) NMC 배터리가 선호됩니다.
에너지 저장 장치 용도에서는 최소한의 탄소 배출로 전기를 만들어 내는 풍력이나 태양광 같은 친환경 전력 용도의 공급과 수요를 신속히 조절할 필요가 있습니다.
태양광 및 풍력 발전이 빠르게 채택되고 있습니다. 그린 에너지 리서치 업체인 BNEF에 따르면 태양광 PV 모듈의 가격이 2010년부터 2019년까지 89% 떨어졌으며, 2030년까지 34% 더 떨어진다고 합니다. 그 결과 가정용 및 유틸리티 규모의 태양광 설비가 모두 크게 증가했습니다. 풍력 에너지도 지난 10년 동안 가격이 70% 떨어졌습니다. 그러나 바람이 항상 불고 해가 항상 비치는 것이 아니기 때문에 PV와 풍력 설비로 일정한 전력을 공급하려면 에너지 저장 시스템에 의존해야 합니다.
에너지 저장 시스템 설계자들이 크게 걱정하는 것이 에너지 밀도만은 아닙니다. 그 보다는 온도, 충전 상태, 부하 지표를 포함하는 여러 요인에 좌우되는 장기간에 걸친 배터리 열화 같은 요인에 집중합니다. 태양광 및 풍력 설비는 주로 원격 위치에 있고 장시간 무방비 상태로 있기 때문에 주기적인 유지관리도 필요합니다.
LFP 배터리는 에너지 저장의 측면에서 납산 배터리나 기타 리튬 배터리 기술보다 몇 가지 유리한 점이 있습니다. 납산 배터리에 비해 기본적으로 안정적이며 불연성이며, 가스 방출, 흄, 누출이 없습니다. 수명이 납산 배터리의 최대 10배라서 총 소유 비용(TCO)이 더 적습니다.
특히 가정용 PV 설비는 화재 위험도 걱정되는 문제입니다. Boeing Dreamliner 화재 같은 유명한 사고와 녹아 내린 EV 사진을 통해 열폭주로 야기되는 리튬이온 배터리 화재에 대한 일반 대중의 경각심이 높아졌습니다. NMC 같은 리튬이온 배터리 성분에 비해 LFP는 열폭주 한도가 100°F 이상 높아져 두 성분 사이의 안전성 차이가 커졌습니다. NMC 배터리는 LFP에 비해 불이 훨씬 더 잘 붇습니다. 그리고 정상 작동 조건에서 LFP는 충전과 방전이 지속될 때 내부 온도가 보다 안정적으로 유지됩니다. 따라서 LFP 물질은 가정용 태양광 전력 저장 장치에 적합합니다.
간편한 재활용
배터리 폐기 또는 재활용은 여전히 중요한 환경 문제입니다. 매년 3백만 톤 이상의 납산 배터리가 버려집니다. 일부는 안전하게 재활용되어 납과 기타 물질이 회수되지만 특히 개발도상국에서는 대부분이 매립되어 독성 물질로 인해 화재와 폭발이 야기됩니다.
에너지 저장과 운송 용도에서 사용되는 리튬 배터리는 수명이 길어 이러한 배터리가 지금도 사용되고 있기 때문에 재활용 과정이 지금도 초기 단계에 있습니다. 2019년에 재활용이 가능한 리튬이온 배터리 180,000 미터톤 중 50%만 재활용되고 나머지는 폐기되었습니다. 수명이 다해가는 리튬이온 배터리가 늘고 있어 재활용의 효율이 향상될 것입니다.
리튬이온 배터리는 종류와 상관없이 재활용이 가능해 전극, 배선, 케이스에 사용되는 물질을 회수할 수 있습니다. 이 산업이 성숙되면 재활용된 배터리를 보다 광범위하게 이용할 수 있게 될 것입니다. 전극은 비독성 물질로 만들기 때문에 LiFePO4 배터리는 납산 배터리나 기타 리튬이온 물질보다 환경에 미치는 유해한 영향이 훨씬 더 적습니다.
결론: LFP는 배터리의 친환경 선택
종류와 상관없이 배터리를 제조할 때는 에너지와 자원이 들지만 리튬 인산철 배터리는 자원 소비와 안전성에서 다른 기술보다 유리한 점이 몇 가지 있습니다. 풍력과 태양광 발전 시스템에 사용하면 탄소 배출을 크게 줄일 수 있습니다.