25%가 최적? LFP 배터리 '100% 완충, 자주 충전하면 셀 손상 초래'

[오토헤럴드 김훈기 기자] 니켈·코발트·망간의 삼원계(NCM) 배터리에 비해 제조 원가가 저렴하고 안전성이 높은 대신 에너지 밀도가 낮은 것으로 알려졌던 리튬인산철(LFP) 배터리에 대한 새로운 연구 결과가 발표됐다. 

전기화학분야 국제학술지 '미국전기화학회지(Journal of The Electrochemical Society)'에 게재된 논문에 따르면 LFP 배터리는 완전충전시 더 빠른 성능 저하와 함께 반복적으로 100% 충전을 할 경우 배터리팩 내부 셀 손상 가능성이 높은 것으로 확인됐다. 

이 논문은 LFP 배터리가 NCM 배터리에 비해 생산 비용과 화재 위험성이 낮으며 상대적으로 완충에 따른 수명 저하 현상 등이 낮다는 이유로 전 세계적으로 인기를 얻고 있는 가운데 나온 것이어서 주목을 받고 있다. 

LFP 배터리는 에너지 밀도가 낮은 후륜 구동 차량에 탑재해 왔으며 테슬라의 경우 후륜구동 모델 3, 포드는 머스탱 마하-E 기본형, 리비안은 듀얼 스탠다드 2세대 R1S 등 보급형 모델에 주로 탑재됐다고 전했다. 

또 완성차 제조사는 테슬라의 경우 일주일 한 번, 포드는 한 달에 한 번 정기적으로 해당 배터리를 100%까지 충전하는 것이 가장 좋다고 설명하고 이렇게 할 경우 팩 교정을 통해 계기판에서 더 정확한 주행가능거리를 표시하게 되며 배터리 성능 저하 방지 등에도 유리하다고 강조했다. 

하지만 이와 반대로 주로 롱레인지 모델에 탑재되는 NCM 배터리는 제조사가 일일 충전 한도를 80~90%로 설정할 것을 권장하고 있으며 100%까지 충전할 경우 에너지 저장 용량이 감소할 수 있다고 해당 매체는 설명했다. 

이는 주로 배터리 수명이 열, 전압과 반대로 작용하기 때문으로 충전 상태가 높을수록 팩의 전압과 열이 높아져 성능이 저하될 수 있다는 주장이다.  

한편 논문에서는 기존 이 같이 알려진 배터리 성능의 상관 관계와 반대의 결과가 나오기도 했다. 충전량이 높은 상태에서 반복적으로 충전할 경우 시간 경과에 따라 LFP 배터리 셀에 악영향을 미칠 수 있다고 밝혔다. 

논문을 발표한 연구원은 LFP 배터리를 완전히 충전하면 고전압과 열로 인해 팩에 유해한 화합물이 생성된다는 것을 새롭게 발견했다. 또 배터리팩을 자주 충반전할 경우 이러한 유해 화합물이 음극에 침전되어 리튬을 소모하고 열화를 일으킬 수 있다고 밝혔다. 

논문에는 'SoC(충전상태)가 높을수록 전압이 높아지고 전해질 내에서 반복되는 부정적인 반응이 가속화되어 리튬 재고가 소모된다'라고 말했다. 

또한 '75~100% SoC 근처에서 충전과 방전을 거듭할 경우 LFP 흑연 셀에는 좋지 못한 영향을 미치고 따라서 높은 충전 상태에서 충방전하는데 소요되는 시간을 최소화하는 것이 중요하다'라고 언급했다. 

해당 소식을 전한 매체는 낮은 에너지 용량을 유지한 상황에서 충방전을 하는 방법은 배터리 측면에선 유리하지만 실생활에선 실현 가능성이 낮다고 언급하고 최근 출시되는 배터리의 경우 악조건에서도 수십만 마일을 유지하고 있어 제조사 측에서 장기 보증을 제공하고 있다고 전했다. 

또 해당 논문의 저자들 역시 충전 습관을 바꾸는 것을 권장하지 않으며 LFP 배터리를 에너지 용량 0~25% 수준에서 충방전하는것은 비현실적이라고 지적했다.

김훈기 기자/hoon149@gmail.com