차량에 가장 이상적인 리튬 인산철 배터리

품질과 안전에서 뛰어난 효과 확인

차량에 가장 이상적인 리튬 인산철 배터리

차량용 블랙박스 보조 배터리를 구성하는 셀 종류는 리튬 인산철, 리튬 이온, NCM으로 나뉜다. 그리고 NCM은 리튬 이온 배터리의 한 종류로 범위를 줄이면 리튬 인산철과 리튬 이온으로 구분된다. 리튬 이온 배터리는 단위 용량이 크기 때문에 휴대용 전자기기에 많이 사용되지만 열화가 많이 진행되면 충전지 성능이 떨어지고 폭발 위험이 있다. 하지만 리튬 인산철 배터리는 강한 외부 충격이나 고온, 화재에도 폭발하거나 가스를 내뿜지 않는 친환경 배터리로 자가 방전율이 월 3% 미만으로 충전 후 장기간 저장이 가능해 안정적인 전기 공급이 필요한 차량에 가장 이상적인 능력을 갖췄다.

차량 메인 배터리는 높은 온도나 낮은 온도에 매우 민감하다. 온도가 너무 높으면 폭발 위험이 있고 온도가 낮으면 기능이 현저하게 떨어진다. 특히, 겨울철 배터리가 정상적으로 작동하지 않는 이유는 배터리에 들어 있는 황산이라는 화학성분이 낮은 온도에 반응해 점도가 높아지기 때문이다. 이온이 황산 사이를 움직이며 전류를 발생시켜야 하는데 높아진 황산 점도 때문에 움직임이 둔해진다. 아울러 배터리는 스스로 조금씩 방전되며 차량을 운행하면 다시 충전된다. 차량을 오래 방치하면 충전이 되지 않아 결국 완전 방전으로 이어지며 배터리 효율이 낮아지는 겨울철 방전이 조금 더 빨리 일어난다. 무엇보다 차량에서 사용되는 IT 기기들이 늘어나면 차량 전기 사용량이 증가해 방전 시간을 더욱 단축시킨다. 이러한 이유에서 블랙박스를 위한 보조 배터리의 사용이 반드시 필요하다.

블랙박스 보조 배터리 셀은 리튬 인산철과 리튬 이온, 그리고 NCM(삼원계)이 가장 많이 사용된다. 리튬 이온과 NCM 배터리는 불이 붙거나 터질 가능성이 있다는 것이 가장 큰 단점이다. 그렇지만 확실하게 인증을 받은 셀을 규정에 맞게 사용한다면 가능성은 낮아지게 된다. 또한 완충 상태에서 오래 보관하면 열화가 빨리 진행된다. 열화가 많이 진행되면 충전지 성능이 떨어지고 결국은 사용을 못하는 상태가 된다. 문제는 공인기관에서 인증받은 리튬 이온 배터리 셀을 사용하지 않았다는 점이다. 세계 최대 온라인 B2B 거래 플랫폼 알리바바에서 품질을 공식적으로 인증받지 못한 리튬 이온 배터리 셀을 아주 저렴한 가격에 판매하고 있기 때문에 배터리 셀에 대한 정확한 정보를 확인하고 블랙박스 보조 배터리를 구매해야 한다.

차량용 보조 배터리 종류

차량에 사용되는 보조 배터리는 크게 리튬 이온, NCM 배터리, 리튬 인산철 배터리 등이 있다. 리튬 이온 배터리는 단위 용량이 높기 때문에 휴대용 전자기기에 많이 사용된다. 동일 크기의 니켈 카드뮴 배터리보다 용량이 약 3배 높고 메모리 현상이 없어서 배터리 용량이 줄어들지 않아 오랫동안 사용할 수 있다.하지만 가격이 비싸다.

NCM 배터리는 리튬 이온 배터리의 한 종류로 니켈, 코발트, 망간을 섞어 만든다. NCM 뒤에 붙는 숫자는 니켈, 코발트, 망간 함량을 표기한 것이다(예 : NCM 811은 니켈 80%, 코발트 10%, 망간 10%). 니켈, 코발트, 망간 함량을 조절할 수 있으며 니켈 함량을 증가시키기 위해서는 높은 기술력이 필요하다. 다만 니켈이 올라갈수록 안정성이 떨어져 고장, 화재 등의 발생 확률이 높아진다. 통상 니켈 60%, 코발트 20%, 망간 20%의 비율로 원료를 섞는데 코발트는 출력을 높이는 역할을 한다. 또한 1회 충전 시 500km 이상 주행 가능한 전기차의 경우 NCM 811 이상의 배터리로 구현이 가능하다.

NCM 배터리 자세히 살펴보기

NCM 배터리는 니켈, 코발트, 망간을 양극재로 사용하는 것으로 LNO의 낮은 가격과 높은 안정성, LCO의 높은 에너지의 장점들만 뽑아서 만든 것이다. 망간 비중을 높이면 안정성을 올라가지만 에너지는 줄어든다. NCM 배터리를 부를 땐 보통 NCM 523, NCM 622, NCM 811 이런 식으로 뒤에 숫자까지 함께 말한다. 여기서 숫자는 위에서 말한 것과 같이 니켈 : 코발트 : 망간을 의미한다. 그리고 NCM 523과 NCM 622가 리튬 이온 배터리 시장에서 가장 많이 사용된다. NCM 배터리에서 사용되는 니켈은 원소 특성상 타 원소 대비 고용량을 담을 수 있지만 아주 불안정해서 컨트롤을 잘못하면 폭발한다. 그리고 니켈 비중이 높아질수록 배터리 수명은 줄어든다. 이는 니켈과 리튬 원자의 지름의 비가 아주 흡사하다. 양극화 물질로 이뤄진 공간에 리튬 이온이 들어왔다 나가는 형식으로 충/방전이 이뤄지는데 여기서 리튬 이온이 있어야 할 자리에 똑같은 사이즈의 니켈이 먼저 들어가서 자리를 차지하는 경우가 발생한다. 즉, 니켈이 공간을 먼저 차지해 리튬 이온이 충/방전을 위해 이동해야 할 공간이 없는 것. 이것은 니켈의 비중이 크면 클수록 빈도도 올라간다. 따라서 충방전 사이클을 반복할수록 니켈 비중이 높으면 수명이 더욱 짧아진다. 

리튬 인산철 배터리의 특성

리튬 인산철은 기준 전압 3.2V 주변에서 거의 85~90%의 전력을 모두 사용할 수 있다. 즉, 방전(출력)시 전압이 매우 안정적이다. Cut-Off 시점까지 출력되는 총 와트(W)는 최대 충전량 대비 약 85% 정도이며 전압의 안정화를 위해서는 추가적인 조치(정전압 승압 장치)가 필요하다. 특히, 리튬 인산철 배터리는 발화 폭발이 없는 안전성, 긴 수명, 안정적인 전압 유지, 급속 충방전이 가능하다. 이로 인해 정밀계측, 미세신호, 통신용, 철도/지하철(신호, 배전반) 등 민감한 전기제품, UPS, 차저, 태양광발전용 ESS, 풍력발 전용 등 장비 교체에 큰 비용이 드는 경우, 차량 선박, 군용 등에 기존 납산 배터리를 대체해 사용하는 경우, 안전성이 최우선되는 의료용 장비 등에 주로 사용된다.

리튬 이온 에너지 저장 장치(ESS) 화재 사고 조사단의 화재 원인 최종 발표에 사업장 5곳 중 4곳의 원인을 배터리로 지목했다. 충남 예산, 경북 군위, 경남 김해, 강원 평창, 하동 등의 조사 결과 경남 하동을 제외한 나머지 4곳이 배터리가 발화지점인 것으로 분석됐다. 특히, 사고 현장에서 수거한 배터리에서 내부 발화 시 나타나는 용융 흔적을 확인했고 배터리 분리막과 음극판에서 구리와 나트륨 성분 등이 검출됐다. 국내 에너지 저장 장치는 대부분 LG나 삼성에서 개발하는 리튬 이온 계열의 NCM 배터리이다. NCM 배터리에는 양극재와 음극재 사이에 전해질이 있으며 전도성을 가진 액체로써 충전 및 방전 과정에서 리튬 이온이 이동하는 경로 역할을 한다. 문제는 이 전해질에 있는데 전해질에는 수분이 없어야 하며 수분이 존재하면 리튬과 반응해 폭발한다. 분리막은 양극제와 음극제의 접촉을 방지하기 위해 필수적인 고분자막이 사용된다.

NCM 배터리의 가장 큰 장점은 가볍다는 것이다. 니켈 기반 2차 전지와 비교해 두배 이상 가볍고 납산 배터리에 비해 5배 이상 가볍다. 단위 전지당 생성되는 전압도 2차 전지에 비해 크다. 니켈 기반 전지는 1.2V, 리튬 이온은 3.7V를 생성한다. 그래서 휴대용 기기에 가장 많이 사용된다. 일반적으로 1000회 사이클의 수명을 갖지만 2000회 사이클이 가능하다는 점은 검증되지 않은 과장 광고이다.

폭발로 인한 위험 테스트

리튬 이온 배터리가 차량용으로 출시되고 폭발이나 화재가 났을 경우 큰 위험이 발생할 수 있다. 이를 확인하기 위해 ICR18650 셀을 해외에서 실험한 자료를 살펴봤다. ICR18650의 의미는 ICR이 일반 방전을 뜻하고 뒤에 숫자가 사이즈 표기이다. 물론 가만히 있는 배터리가 갑자기 터질 가능성은 희박하지만 충격, 팽창, 과열 등으로 인한 화재 폭발은 충분히 가능하다.

리튬 인산철 배터리의 사용 이유

리튬 인산철 블랙박스 보조 배터리를 사용해야 하는 가장 큰 이유는 가장 안전한 배터리라는 점이다. 리튬 인산철 배터리는 폭발하지 않고 내부적으로만 손상돼 매우 안전하다. 그리고 강한 외부 충격이나 고온, 화재에도 폭발하거나 가스를 내뿜지 않는다. 그래서 현재까지 상용화된 배터리 중 가장 안정성이 뛰어난 친환경 배터리로 평가받고 있다. 아울러 자가방전율이 매우 낮다. 리튬 인산철 배터리는 월 1% 이하만이 자가방전 된다. 1년간 충전을 않해도 85% 정도의 용량을 유지하고 손상되지 않는다. 이외에도 지속 방전 특성과 순간 방전 능력이 매우 뛰어나며 정기적인 유지보수가 불필요해 사용성도 매우 우수하다. 즉, 리튬 인산철 배터리는 안전하게 지속적으로 효율을 낼 수 있는 곳에 특화된 배터리로 안정적인 전기 공급이 필요한 차량에 가장 이상적인 능력을 갖추고 있다.

카오디오에서 퍼 온 글

 2020.12.03