리튬인산철 전지 – LiFePO4 배터리의 장점

배터리에 대한 상식이 부족한 상태에서 폴딩 트레일러에 장착되어 있던 12V 100A 급 딥사이클 납산 배터리를 2년 동안 2번 날려먹었드랬습니다.

납산배터리의 여러가지 안좋은 특성을 알게 해 주었던 미국산 폴딩트레일러.. 태양전지도 안달려 있고, 자가방전율이 그렇게 높은 줄도 몰랐던 시절이라 딥사이클 배터리 2개를 몇개월만에 망가뜨렸었습니다. 지금은 처분했지만, 폴딩트레일러와의 오토캠핑때가 식구들과 가장 행복했었던 것 같네용~~
모든 종류의 배터리는 배터리에 화학적으로 저장된 전기를 모두 잃게 되면, 다시 충전을 해도 원래의 성능을 낼 수 없는 비가역적 내부 물질의 변화로 손상이 되게 됩니다.

그래서, 휴대폰, 노트북 등에 사용되는 리튬이온 배터리의 경우엔 과충전되어 폭발할 수 있지만, 완전 방전 후 가만히 보관만 하고 있어도 몇달간 추가로 자연방전되면서 임계치 이하 전압까지 떨어지면, 스스로 발열이 일어나면서 폭발하기도 합니다. 그래서 리튬이온 전지는 항상 충전하고 보관해야 안전합니다.

리튬이온 전지의 경우엔, 워낙 폭발위험성이 높아 배터리셀에 과방전 또는 과충전에서 보호하기 위한 보호회로가 내장되어 있습니다. 그래서 통상적으로 배터리를 완전히 방전시킬 경우에도 내장된 보호회로가 배터리가 손상될 전압까지 떨어지기 전에 방전을 차단시켜 배터리를 보호합니다.

납산배터리(자동차용배터리)의 경우엔, 12.1V 미만까지 방전되면, 내부의 황산 용액이 분해되어 수소가스가 발생하면서 용액이 줄어들고, 용액에 잠겨있던 극판이 노출되면서 부식되어 제 성능을 잃어버리게 됩니다.

보통 대부분의 카라반/모터홈 오너분들은 캠핑카 안에서의 여러가지 전기기기의 사용 목적으로 100~200A 정도의 딥사이클 배터리를 사용하시는 것이 일반적인 것으로 보여집니다.

아무튼, 이런 경험 이후 리튬인산철 배터리로 교체를 해 보았습니다.

구매한 제품은 중국 TOPBAND사의 12.8V 100A 사양의 리튬인산철 배터리 입니다. 크기는 대략 60A 급 자동차용 배터리와 비슷한 부피이며, 무게는 12kg 입니다.

태양광패널과 같이 리튬인산철 배터리 제조분야는 최근 2년간 미국이나 한국의 제조사들이 대부분 중국의 대규모 정부지원을 등에 엎은 중국의 제조업체에게 굴복당해 사업을 철수하거나 파산하였습니다. 그래서 지금 생산되는 리튬인산철 배터리는 중국이 주도하고 있습니다.

리튬인산철(LiFePO4)배터리의 장점

. 무게가 가볍다: 같은 100A 용량의 딥사이클 SLA 배터리의 경우 27~8kg 정도, Flooded나 AGM은 30~33kg 정도 하는 것에 비해, 60% 이상 무게가 가볍습니다. 또한 실질적으로 사용용량이 같은 용량 대비 훨씬 크기 때문에 실제로 절감되는 사용중량은 80% 이상 가볍다고 볼 수 있습니다. 이 부분은 뒤에 추가 설명

. 수명이 길다: 일반적인 딥사이클배터리의 경우, 자기용량의 50%까지 방전 후 재충전 반복횟수가 400~500회 정도 되는데, 리튬인산철배터리는 자기용량의 90%까지 방전 후 재충전 반복횟수가 1500회 이상으로 납산 배터리에 비해 3배 이상 수명이 길며, 1500회 이상 충방전 후에도 최초 성능용량의 80% 이상을 유지합니다. 예를들어 100A 배터리를 1500회 충방전 시키고 나면, 용량이 80A정도로 줄어든다는 것.

. 안전하다: 납산배터리는 과충전이나 과방전시 수소가스가 새어나오는 위험성이 있고, 고온이나 저온 환경에서 성능이 급격히 떨어집니다. 리튬이온이나 리튬폴리머 배터리는 과충전이나 과방전시 불이나는 수준의 급격한 온도상승과 폭발현상이 발생할 수 있어 매우 위험합니다. 그러나, 리튬인산철배터리는 과방전,과충전시 폭발하지 않고(내부적으로만 손상됨), 강한 외부 충격이나 고온, 화재에도 폭발하거나 가스를 내뿜지 않습니다. 리튬인산철 배터리는 60~70도 정도의 환경에서 오히려 공칭용량보다 10% 정도 더 많은 에너지를 안정적으로 방전시킵니다. 현재까지 상용화된 배터리 중 가장 안전성이 우수한 배터리가 LiFePO4 배터리라고 할 수 있습니다.

. 에너지밀도가 높다: 리튬인산철 배터리는 납산배터리에 비해 무게당 에너지밀도가 2배가량 높고, 리튬이온배터리는 리튬인산철배터리보다 에너지밀도가 1.5배 더 높습니다. 상용화된 배터리 중 가장 에너지밀도가 높은 배터리는 리튬이온배터리이긴 합니다만, 리튬인산철 배터리는 그만큼 에너지밀도가 높진 않지만, 수명이 3배 가까이 더 길고, 사용상 위험성이 없다는 장점이 있습니다.

 

. 실제 출력에너지가 더 많다: 100A 12V 납산배터리와 100A 12.8V 리튬인산철배터리를 비교하면,  납산배터리는 완충 후 배터리 손상이 안가는 정도까지(12.0V까지) 방전시 출력되는 에너지가 600Wh 정도입니다. 리튬인산철배터리는 1050Wh 정도로 거의 두배가량 많으며, 9V까지 내려가도 배터리가 손상되지 않으며, 이때까지 출력시엔 1150Wh 정도를 사용할 수 있습니다. 즉, 60kg 무게의 200A 딥사이클 납산배터리를 13kg의 110A 리튬인산철 배터리로 대체해도 사용 가능한 전력은 동일합니다.

. 낮은 자가방전율 : 납산 배터리는 월 5~20%의 자가방전이 되며, 리튬인산철배터리는 월1%의 자가방전이 됩니다. 즉, 납산배터리는 완충 후 6~12개월동안 재충전을 하지 않으면, 배터리가 자연방전되어 영구적인 손상을 입지만, 리튬인산철 배터리는 1년간 충전 안해도 85% 정도의 용량을 유지하고, 손상되지 않습니다.

. 방전특성이 좋다 : 납산배터리는 지속방전시 배터리가 손상될 수 있지만, 순간 방전량은 많은 자동차 시동용 배터리와 순간 방전량이 적더라도 지속 방전이 가능한 딥사이클배터리로 제품이 구분되지만, 리튬인산철 배터리는 지속방전 특성과 순간방전능력 모두 납산배터리보다 훨씬 뛰어나다.

 

. 유지보수 불필요: 배터리 컨디셔닝이나 Flooded 납산배터리처럼 정기적으로 증류수 보충 등의 정기적인 유지보수가 수명주기 내에서 필요 없습니다.

단점:

. 리튬이온이나 리튬폴리머 전지보다 에너지밀도가 낮다

. 납산배터리보다 에너지 용량당 가격이 비싸다

=> 실질적인 단점은 단하나.. 납산전지에 비해 가격이 비싸다는 것. 그러나, 이것도, 3배 긴 수명과 1.8배 더 많은 실질 출력 전력량을 감안하면, TCO는 오히려 더 저렴해 지는 것으로 계산됩니다.

 

장점에 비해 단점은 매우 짧네요.. 그만큼 납산배터리에 비해서는 상대적 단점이 없습니다.

특히, 리튬인산철배터리는 12.8V로 구성되어 기존의 12V 납산배터리에 맞춘 설비를 대체했을때 장점이 극대화 된다고 생각합니다. 자동차, 캠핑카등에서 널리 사용되는 12V 시스템 설비를 변경 없이 그대로 이용할 수 있기 때문입니다.

이런 장점을 극대화시키기 위해 캠핑용 카라반에 적용한 사례는 다음 포스팅에….