LFP 배터리 및 셀 보호의 미래: 전자 자전거 및 ESS로 확장

우리의 일상 생활을 변화시키는 기술

스마트폰, 전기 자전거(e-bike), 태양광 발전 시스템과 같은 기술 혁신은 배터리로 구동됩니다. 그 중 인산철리튬(LFP) 배터리는 안전성, 긴 수명, 비용 효율성 등으로 주목받고 있습니다. 기존 리튬이온(LIB) 배터리에서 발견되는 많은 문제를 극복하고 보다 지속 가능한 에너지 사회를 구축하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 결과적으로 LFP 배터리는 전기 자전거부터 재생 에너지 저장 시스템(ESS), 소비자 장치에 이르기까지 점점 더 다양한 응용 분야에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

이 기사에서는 LFP 배터리의 기본 사항, 시장 성장 잠재력, 응용 분야에 대해 논의하고 2차 보호 솔루션인 Dexerials의 Self Control Protector(SCP)를 소개합니다.

LFP 배터리란?

리튬인산철(LFP) 배터리는 리튬이온 배터리(LIB)의 한 종류로, 리튬인산철(LiFePO4)을 양극재로 사용하여 뛰어난 안전성과 긴 수명을 제공합니다. 전기자동차(EV), 전기자전거와 같은 모빌리티 분야뿐만 아니라 재생에너지 저장시스템(ESS)까지 적용 분야가 확대되고 있습니다. LFP 배터리는 더욱 지속 가능한 에너지 사회 구축에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

LFP 배터리는 1997년 미국 텍사스 대학교 연구진이 발표한 논문에서 처음 보고되었습니다. 높은 열 안정성과 낮은 발화 위험으로 호평받았습니다. 그러나 니켈-망간-코발트(NMC) 또는 니켈-망간-알루미늄(NMA) 화합물 기반 양극재를 사용하는 리튬이온전지(LIB)에 비해 에너지 밀도가 낮아 상용화에 어려움을 겪었습니다. 2000년대 초, 캐나다의 한 회사가 나노기술과 탄소 코팅 기술을 적용하여 배터리 성능을 향상시켰습니다. 그러나 높은 제조 비용과 특허 라이선스 제한으로 인해 대량 생산에 제약을 받았습니다.

이러한 상황은 2010년대부터 LFP 배터리의 주요 생산국이었던 중국의 부상으로 극적으로 변했습니다. 캐나다 기업의 특허 사용 라이선스를 받은 중국 배터리 제조업체들은 풍부한 원자재와 전기 자동차 산업에 대한 강력한 정부 지원을 활용하여 저비용 대량 생산을 달성했습니다. LFP 배터리는 코발트나 니켈과 같은 희귀 금속을 필요로 하지 않기 때문에 중국의 저가형 전기차 시장에 매우 적합했습니다. 결과적으로 중국 제조업체들은 원가 경쟁력과 규모의 경제를 통해 세계 시장에서 빠르게 주도적인 위치를 확보했습니다. 유럽에서는 에너지 밀도가 높은 배터리가 여전히 우위를 점하고 있었고, LFP 배터리의 도입은 제한적이었습니다.

그러나 2022년 주요 LFP 배터리 특허 만료로 인해 미국과 유럽 제조업체들은 LFP 배터리에 대한 관심을 급격히 확대했습니다. 코발트와 니켈 공급 위험에 대한 우려, 중국 의존도 감소 노력, 그리고 전기 자동차 도입 증가에 힘입어 미국과 유럽 기업들은 이제 LFP 배터리의 국내 생산을 추진하고 있습니다.

LFP 배터리가 인기를 끄는 이유는 무엇일까요? 차세대 배터리의 과제

LFP 배터리는 LIB 기술과 관련된 세 가지 주요 문제에 대한 혁신적인 솔루션을 제공하기 때문에 LIB의 한계를 극복하기 위한 새로운 대안으로 주목을 받고 있습니다.

더 높은 안전성 달성

LIB는 전해질에 가연성 유기 용매를 사용하여 화재 위험을 초래합니다. 반면, LFP 배터리는 화학적으로 안정된 구조와 높은 열 안정성을 가진 리튬철인산염으로 구성된 양극재를 사용하여 과도한 열이나 물리적 충격에 노출될 경우 발화 또는 폭발 위험을 줄입니다. LIB가 장착된 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템(ESS)에서 발생하는 화재가 전 세계적으로 산발적으로 발생하면서 업계의 안전에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 따라서 LFP 배터리는 낮은 열 폭주 위험과 대규모 배터리 시스템에 대한 적합성으로 점점 더 많이 선택되고 있습니다.

에너지 밀도 증가

배터리 단위 중량당 저장되는 전기량(중량 에너지 밀도)은 전기 자전거의 주행 거리 및 ESS의 에너지 효율과 직접적인 관련이 있습니다. 따라서 에너지 밀도를 높이는 것은 차세대 배터리 개발에 있어 가장 중요한 과제 중 하나입니다. 원래 LFP 배터리의 에너지 밀도는 LIB보다 낮았습니다. 그러나 기술 혁신을 통해 안전성을 저해하지 않으면서도 에너지 밀도가 꾸준히 향상되었습니다.

희귀금속 의존도 감소로 환경 영향 감소

LFP 배터리는 니켈이나 코발트와 같은 희소 금속에 의존하지 않고도 제조할 수 있으며, 이러한 희소 금속은 제한된 국가에서만 공급됩니다. 따라서 정치적 불안정이나 자원 부족과 같은 생산자 특유의 위험을 피하는 동시에 희소 금속 채굴에 따른 환경적 영향을 줄일 수 있습니다. 이는 더욱 지속 가능한 배터리 기술 개발에 기여합니다. 또한, LFP 배터리는 LIB보다 충전-방전 사이클 수명이 두 배 이상 길어 폐기 및 재활용 비용을 절감할 수 있습니다.

아래는 LFP 배터리와 LIB(니켈-망간-코발트 및 니켈-망간-알루미늄 유형)를 비교한 것입니다.

LFP 배터리 시장의 잠재적 성장

글로벌 LFP 배터리 시장은 2030년까지 연평균 성장률(CAGR) 약 20%로 성장할 것으로 전망됩니다. (출처: LFP Batteries Transforming EV Market Dynamics Globally | EVBoosters) 재생 에너지 저장, 스마트 그리드 시스템, 모빌리티 애플리케이션에 대한 수요 증가가 이러한 성장을 뒷받침하고 있습니다.

기존 배터리 기술에 비해 LFP 배터리는 희소 금속 사용량이 적어 제조 비용이 낮으며, 특히 NMC 배터리와 비교할 때 더욱 그렇습니다. 일부 추정에 따르면 LFP 배터리의 시장 가격은 기존 LIB보다 최대 30%까지 낮습니다. 중국 정부는 수년간 에너지 저장 시스템(ESS)의 국내 도입을 장려하는 인센티브 정책을 통해 LFP 배터리의 국내 시장 확산을 가속화했고, 이는 이후 글로벌 시장으로 확대되었습니다.

더욱이 북미 모빌리티 부문의 주요 제조업체를 포함한 글로벌 기업들이 LFP 배터리를 본격적으로 도입하기 시작했습니다. 앞으로 배터리 소재 공급 부족과 LFP 배터리의 기술적 성숙, 그리고 안전성, 비용 효율성, 그리고 지속가능성 측면에서 LFP 배터리 시장의 성장은 더욱 가속화될 것으로 예상됩니다.

주요 LFP 배터리 응용 분야

2025년을 기준으로 LFP 배터리의 주요 응용 분야는 다음과 같습니다.

전기 자전거(e-bike)

전기 자전거는 중국, 유럽, 미국을 중심으로 시장이 급속도로 확대되고 있으며, 새롭게 개발되는 모델들은 LFP 배터리를 채택하는 경우가 점차 늘어나고 있습니다. LFP 배터리는 열 폭주 위험이 낮아 동남아시아 도시 지역과 같이 고온의 기후나 잦은 충격이 발생하는 환경에서 특히 유용합니다. 또한, LFP 배터리는 일상적인 충방전 사이클에 대한 내구성이 뛰어나 배터리 교체 빈도를 줄이고 장기적인 비용 절감에도 기여합니다.

LFP 배터리의 또 다른 주요 장점은 기존 납축전지에 비해 무게가 훨씬 가볍다는 것입니다. 따라서 LFP 배터리를 장착한 전기자전거는 더 긴 주행 거리와 편리한 조작성을 제공하여 사용자 만족도를 향상시킵니다. LFP 배터리는 다양한 기상 조건에서 안정적인 성능을 유지하기 때문에 출퇴근 및 기타 개인 교통수단뿐만 아니라 배달 서비스와 같은 업무용으로도 매우 신뢰할 수 있는 것으로 평가되어 기업들의 도입 확대를 촉진하고 있습니다. 이러한 장점들은 특히 도시 지역의 교통수단으로서 LFP 배터리 장착 전기자전거에 대한 수요를 더욱 증가시킬 것으로 예상됩니다.

재생 에너지 저장 시스템(ESS)

LFP 배터리는 태양광, 풍력 및 기타 천연 에너지원으로 구동되는 재생 에너지 시스템에서 안정적인 에너지 저장을 가능하게 합니다. 열악한 환경 조건에서도 안정적인 성능과 낮은 유지 보수 비용 등의 장점을 제공합니다.
시장조사기관인 패스트마켓(Fastmarkets)에 따르면, 에너지 저장 시스템(ESS)에 대한 전체 수요는 2022년 66GWh에서 2023년 140GWh로 두 배 이상 증가할 것으로 예상되며, 2033년에는 약 840GWh에 달할 것으로 전망됩니다. LFP 배터리는 이 전체 용량의 약 87%를 차지할 것으로 예상되며, 재생 에너지 사용의 지속적인 확대에 핵심 기술로 활용될 것으로 기대됩니다.
참고: LFP 채택 증가로 화학 공급망 전반에 걸쳐 투명성 강화 필요성 증가 – Fastmarkets

백업 전원 시스템(UPS)

병원, 데이터 센터, 통신 시설과 같은 중요 인프라에서 LFP 배터리는 매우 안정적인 백업 전원으로 활용될 수 있어 널리 채택되고 있습니다. LFP 배터리는 교체 및 유지 보수 빈도가 낮아 장기적인 비용 절감 효과를 제공합니다.

해양 및 항해 장비

LFP 배터리는 해상에서 사용되는 장치의 전원으로 점점 더 많이 채택되고 있습니다. 예를 들어 유람선, 트롤링 모터, 어군 탐지기, GPS 수신기, 항법 장치(소나 등), 자동 기상 부표, 해양 관측 센서 등이 있습니다. (NMC 유형) LIB와 비교하여 LFP 배터리는 발화 위험이 낮아 더 안전하고 신뢰할 수 있는 전원으로 사용되며, 진동 및 충격과 같은 가혹한 조건에서도 안정적인 성능을 유지합니다.

노트북 및 가정용 전동 공구

최근 가장 주목할 만한 동향 중 하나는 주요 PC 제조업체들이 차세대 노트북에 LFP 배터리 도입을 가속화하고 있다는 것입니다. 이러한 추세는 모바일 기기 시장에서 LFP 배터리의 안전성과 긴 수명에 대한 인식이 높아지고 있기 때문입니다. 앞으로 LFP 배터리는 우수한 안전성, 낮은 환경 영향, 그리고 비용 효율성 덕분에 전동 공구 및 가전제품과 같은 다른 소형 전자 기기에서도 더 널리 채택될 것으로 예상됩니다. 낮은 발화 위험과 긴 배터리 수명은 기존 LIB에 비해 모바일 기기 사용자에게 상당한 이점을 제공합니다.

LFP 배터리용 2차 보호 소자

LFP 배터리는 기존 제품에 비해 우수한 열 안정성과 높은 안전성을 인정받고 있습니다.
그러나 연구에 따르면 지속적인 과충전으로 인해 배터리 온도가 점진적으로 상승할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이로 인해 온도가 안정 범위를 초과하면 열폭주가 발생할 수 있으며, 극단적인 경우 잠재적으로 발화가 발생할 수 있습니다. 이러한 위험을 방지하려면 적절한 2차 보호 메커니즘이 필수적입니다.

표면 실장형 퓨즈인 Dexerials의 Self Control Protector(표면실장형 퓨즈)는 LIB가 과충전 또는 과방전될 때 물리적으로 녹아 회로를 분리합니다. 우리의 SCP는 이미 노트북을 포함한 모바일 장치에 사용되고 있습니다. SFJ-1022(3셀 LFP 배터리 지원)는 새로운 모델이며 새로 설계된 회로를 사용하여 더 넓은 LFP 배터리 전압 범위를 지원하므로 LFP 배터리 채택 증가에 이상적인 2차 보호 솔루션입니다.
22A (소형) SFJ 시리즈 셀프 컨트롤 프로텍터 (표면실장형 퓨즈)

당사의 SCP는 ESS, 기타 고용량 시스템, 전기 자전거 등 다양한 분야에 도입되고 있으며, 추가 개발도 진행 중입니다.

앞으로도 덱세리얼스는 LFP 배터리의 안전 설계와 활용을 지원하는 제품을 지속적으로 개발하여 더욱 풍요롭고 안전한 사회를 만드는 데 기여하겠습니다.