오늘은 오랜만에 배터리를 구성하는 가장 작은 단위인 배터리 셀의 특성에 대해서 알아보겠는데요. 수많은 배터리 셀 중에서도 현재 가장 많이 사용되고 있는 리튬 이온(Li-ion)과 리튬 인산철(LiFePo4)에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 

현재 우리 주변에서 가장 많이 사용하고 있는 배터리 셀을 꼽으라고 하면 리튬 이온과 리튬 인산철을 뽑을 수 있습니다. 이 두 종류의 배터리 셀은 기존 납산 배터리에 비해 가볍고 에너지 밀도가 높다는 대표적인 장점으로 인해 많이 사용되고 있습니다. 보통적으로 납산 배터리에 비해 리튬 인산철은 2배, 리튬 이온은 인산철에 비해 약 1.5배의 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 즉, 같은 전압과 용량으로 배터리 팩을 만든다면 더 작고 가볍게 만들수 있다는 것이죠. 에너지 효율만 본다면 리튬 이온만을 쓰는게 좋을 텐데 왜 리튬 인산철도 많이 사용되는 것 일까요? 그래서 이 두 종류의 배터리 셀을 특성별로 정리해보았습니다.

리튬 이온과 리튬 인산철은 전압에서도 큰 차이를 보이고 있습니다. 각 만충-공칭-종지 전압이 서로 다르기 때문에 배터리 팩을 제조할때 동일 전압과 용량으로 제조하게 되면 리튬 인산철이 리튬 이온보다 더 많은 셀이 사용될 수 밖에 없습니다. 즉, 리튬 인산철로 제작된 배터리 팩이 리튬이온으로 제작된 배터리 팩보다 더 크고 무겁게 됩니다. 때문에 전동킥보드와 같은 모빌리티를 제작할 때 한정된 공간에 높은 용량을 담아야하는 경우에는 리튬 이온 배터리 셀이 쓰이게 되는 거죠.

단순 전압과 용량으로만 본다면 리튬 이온이 엄청나게 좋아보일지는 몰라도 충방전 횟수로 본다면 리튬 인산철이 더욱 좋은 효율을 가지고 있습니다. 위 표에서 언급한 충방전 횟수가 넘어가면 배터리 셀의 효율이 약 70%이하로 떨어지기 때문에 제조사에서는 폐기를 권장한다고 합니다. 하지만 위의 횟수는 0~100%까지를 1사이클로 계산한것이고 만약 30%만 방전하고 충전하면 0.3회로 계산을 할 수 있다고 하니 사용 기간은 보다 증가 할 수 있습니다.

(출처는 기억이 안나지만 어느 자료에서는 효율이 기준 이하로 떨어진 배터리 셀은 내부의 화학물질이 불안정해져 사용을 권장하지 않는다고 읽었던 기억이 나네요. 정확한 내용은 아니니 참고만하세요.)

그리고 리튬 인산철은 다른 리튬이온전지에 비해 발열이 거의 없습니다. 때문에 폭발 등의 위험이 매우 낮아 가장 안전한 배터리로 꼽을 수 있습니다. 위험에 대한 안전성 뿐만 아니라 전압 역시 리튬 인산철은 일정하게 유지하는 특성을 가지고 있습니다. 리튬 이온의 경우 4.2 -> 2.5V까지 용량 별로 전압이 떨어지는 반면 리튬 인산철은 3.2V 대를 꾸준하게 유지하다 종지전압으로 떨어지게 됩니다. 즉, 리튬 인산철은 꾸준하게 동일 전압으로 소비되어야 하는 배터리가 필요한 기계에 탁월한 배터리 셀이라고 할 수 있습니다.

요약하자면

리튬 이온은 한정된 공간에서 고효율을 낼 수 있는 곳에 리튬 인산철은 안전하게 지속적으로 효율을 낼 수 있는 곳에 특화된 배터리라고 정리할 수 있겠습니다.