#16. LFP,LMFP 양극활물질의 특징 및 개발 현황

1) LFP 양극활물질 특징

LFP 양극활물질은 높은 에너지 밀도와 안정적인 충방전, 높은 안전성 등으로 배터리 업계의 시장에서 주목을 받고 있는 대표적인 소재 중 하나이다. 특히 가격이 저렴한 점이 매력적으로 다가온다. 하지만 낮은 이온 확산 속도 및 낮은 전기 전도성으로 출력이 좋지 못하고, 충전 속도와 특히 저온 성능에 어려움이 있다. 이를 해결하고자 다양한 연구가 진행되고 있는데, 나노 크기의 LFP 입자를 사용하여 리튬 이온 확산 경로를 단축하고 고전류에서 재료의 방전 성능을 향상시켜 전해질과의 접촉 면적 또한 증가하여 반응이 활성화 되며 비표면적이 늘어나 문제점을 완화하는 방법이다. 하지만, 나노 크기의 파티클 사이즈는 탭 밀도를 안좋게 만들어 균일한 코팅이 어려워 자가 방전에 문제를 야기 할 수 있다. 특히 LFP는 충전과정에서 음극 표면에 SEI를 형성하는데 양극재에 포함된 리튬의 5~20%가 사용되어 용량 손실의 주된 원인이 된다. 이를 해결하고자 리튬 보충재를 첨가하는 등의 연구가 진행중이다. 

2) LMFP 양극활물질 특징

LMFP는 LFP의 장점과 NCM의 장점을 섞은 하이브리드 양극활물질이라고 할 수 있다. 가성비 좋은 가격과 안전성, 높은 충방전 성능을 갖는것이 매우 큰 장점이다. LFP 전극에 망간을 첨가하여 F이 Mn으로 일부분 대체 되는것인데 이는 이론적용량을 LFP 대비 15% 향상 시켜줄 수 있다. 또한 저온 성능에서 LFP는 영하 20도에서 용량 유지율이 약 67%이고, LMFP는 71%이다. 하지만 LMFP의 충방전 효율은 92%이고, LFP는 95% 이상인데 이는 용량 유지율이 높기 때문에 그만큼 소모되는 리튬의 양이 많아 수명과 충방전 효율에선 LFP 보다 낮은 효율을 보이고 있다고 해석할 수 있다. 하지만, 가장 큰 문제점인 망간 용출은 LMFP 양극활물질에서 망간이 석출되어 충전 및 방전 동안 구조적 붕괴를 유발하여 용량을 손실 하고 사이클 성능을 저하시킨다. 또한, LMFP는 이중전압을 갖고 있어 전기차에서 사용시 급격한 전력 강하 문제를 유발할 수 있는데, 이를 해결하기 위해 탄소 나노튜브를 첨가하여 전도성을 높이고 리튬 보충재를 추가하여 사이클 효율 및 수명 개선에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.