Tesla와 CATL의 $100/kWh 전략 - LFP (LiFePO4)와 LMFP (LiMn0.5Fe0.5PO4)

요즘 LFP (LiFePO4)에 관한 기사가 많이 나온다. 굉장히 오래된 고전 소재라서 잊혀진지 오래인 소재가 오랜만에 여기저기서 나오니 반갑기도 하고 의아하기도 하다. 우선 이와 관련해서 의견을 기록한 것이 있으니 링크들을 밑에 남겨 둔다.

 리튬인산철 LFP 양극의 소재 특성, 테슬라(Tesla)의 CATL LFP 사용
CATL의 LFP(리튬인산철, LiFePO4)를 사용하기로한 테슬라(Tesla)의 의도

 LFP는 1990년대 초에 2019년에 노벨화학상을 수상한 John Goodenough 교수님에 의해서 발명된 리튬이온전지 양극재다. 처음 발명되었을 당시에는 전기전도도가 좋지 못해 성능이 좋아 보이지 않았지만, 오랜 연구 끝에 탄소 코팅을 통해 LFP의 진가가 발휘되었다. MIT 연구팀에 의해 Nature 본지에 연구가 실렸는데 1분 충전 방전이 가능한 소재로 보고가 되었다. 당시 큰 화제가 되었고 우여곡절이 있었지만 결국 중국 전기 버스에 적용이 되고 상용화가 되었다. CATL이 이를 주로 해왔고 현재까지 생존(?)하고 있는 좋은 양극 소재 중에 하나이다. 탄소 코팅을 통해 빠른 충방전이 가능한 거의 몇 안되는 양극 소재중에 하나이고, 안정성이 높아 사이클 수명이 굉장히 좋다. 또한 온도 안정성도 좋아 그 쓰임새가 다양하고 쉬운편이다.

 단점은 에너지가 작다. 용량은 165 mAh/g 정도에 전압이 3.25 V vs. Li/Li+다. Ni-rich NMC계열의 층상구조 양극이 200 mAh/g 정도 용량에 3.8 V vs. Li/Li+ 정도의 전압인걸 고려하면, 중국을 제외하고는 작은 에너지 때문에 요즘은 거의 자취를 감춘 소재이다. 

 LFP 무게당 부피당 에너지가 작아서 버스를 제외한 전기자동차에서는 사용하지 않았지만, 최근 Tesla가 CATL과 연합해 LFP를 사용해 에너지를 늘리고 전지 가격을 내리겠다는 기사를 내서 화제가 된 것이다. 이것에 대한 루머가 많았는지 최근 LFP에서 Mn을 더 넣어 발전시킨 LMFP (LiMnxFe1-xPO4)를 사용하겠다고 발표를 한 것이다. 아마도 Mn과 Fe가 절반씩 들어간 (LiMn0.5Fe0.5PO4)일 것이다. MIT 연구팀의 Nature지 논문 이 후, LFP가 유명해진 이후로 다양한 형태의 변형 및 다른 원소로의 도핑 시도가 많았다. 그 중에 성능과 가격을 고려해 Mn이 제일 가능성이 높은 원소로 알려져있었다. 이 소재를 CATL이 상용화해서 Tesla와 함께 전기차에 쓰겠다는 것 같다.

 Mn이 Fe와 Molecular weight이 비슷하기 때문에 섞는다고 해도 용량이 증가하지는 않지만, Mn을 섞으면 전반적인 형성에너지가 낮아져 배터리의 전반적인 전압이 올라간다. Fe2+/3+ Redox 전압이 3.5 V vs. Li/Li+정도 되고, Mn2+/3+ Redox 전압이 4.1 V vs. Li/Li+이기 때문에 평균 3.8 V vs. Li/Li+ 정도가 된다. 결론적으로 LMFP가 에너지 면에서 기본 LFP 보다 15%정도 향상된 결과를 주는 것이다. 

 물론 LMFP가 LFP 처럼 고속 충방전이 좋고 수명이 좋은건 아니다. 에너지를 얻은 만큼 잃는 부분도 있기 때문이다. Tesla와 CATL이 얼마나 LMFP를 발전 시켰고 상용화를 얼마나 완전하게 시켰는지 기대가 된다. 

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