용도에 맞게 제작된 충전기를 사용하여 리튬 인산철(LiFePO4) 배터리 최대한 활용하기

리튬 인산철(LiFePO₄) 배터리에서 LiFePO₄는 배터리의 음극에 사용되며 금속으로 감싼 흑연 탄소 소재가 전극 역할을 합니다. 1996년에 텍사스 대학 연구원이 처음으로 설명한 이 기술은 새로운 기술이 아니었습니다. 하지만 전기화학은 리튬 이온 전지에 비해 몇 가지 이점을 제공기 때문에 많은 관심을 받고 있습니다. 이러한 이점에는 상대적으로 저렴한 가격, 무독성, 철의 광범위한 가용성, 우수한 열 안정성이 있습니다. 반대로 리튬 이온 배터리에 사용되는 니켈과 코발트는 구하기 어렵고 비용이 많이 들며 환경에 더 해롭습니다.

또한 LiFePO₄는 동급의 리튬 이온 전지보다 충전 주기를 훨씬 더 많이 거칠 수 있습니다. 배터리를 어떻게 사용하는지에 따라 1,000회에서 최대 10,000회까지 충전이 가능합니다. 또한 표준 인증 LiFePO₄ 배터리는 최소 2,000회의 충전 주기 동안 최소 80% 방전 용량(또는 '방전 깊이')을 제공할 수 있습니다. 일반적인 리튬 이온 배터리의 경우에는 300회에서 500회입니다.

LiFePO₄ 배터리의 다른 특징으로는 고속 충전 허용 오차 범위, 높은 방전 전류를 지원할 수 있는 낮은 내부 저항, 그리고 매우 안정적인 공급 전압이 있습니다. 또한 고온에서도 잘 작동합니다.

LiFePO4 배터리 예로는 Power Sonic Corporation의 3.2V, 25Ah 배터리인 PSL-FP-IFP2770180EC가 있습니다(그림 1).

그림 1: LiFePO4 배터리는 동급의 리튬 이온 배터리보다 더 저렴하고 충전 주기도 더 많이 제공합니다. (이미지 출처: Power Sonic Corporation)

그러나 최근까지 LiFePO₄ 배터리가 주류가 될 수 없었던 몇 가지 단점이 있습니다. 특히 중요한 점은 리튬 이온보다 에너지 밀도가 15% ~ 25% 더 낮고 리튬 이온의 3.7V에 비해 출력 전압이 3.2V로 더 낮다는 점입니다. 또한 LiFePO₄ 배터리는 저온에서 제대로 작동하지 않으며 더 견고한 리튬 이온 전지보다 일반적으로 더 많은 주의와 보호가 필요합니다.

LiFePO₄ 에너지 밀도 개선

최근 에너지 밀도 개선으로 인해 더 넓은 범위의 장치에 LiFePO₄ 배터리를 적용하기가 더 쉬워졌습니다. LiFePO 4 배터리가 휴대폰이나 휴대용 컴퓨터와 같은 제품에 들어가는 리튬 이온을 대체할 가능성은 낮지만 공간이 더 넓은 응용 분야 및/또는 저렴한 비용과 재활용이 더 쉬운 것이 중요한 응용 분야에서는 좋은 옵션일 수 있습니다. 전기 자전거와 일부 전기 차량(EV) 모델이 그 예입니다. 예를 들어 Tesla는 2021년 후반에 보급형 차량에 사용할 배터리는 LiFePO₄로 전환할 것이라고 발표했습니다. Tesla의 배터리는 약 260Wh/kg을 제공하며 이는 최상의 리튬 이온 전지와 동등한 수준입니다.

그림 2: Tesla 모델 3은 LiFePO4 배터리를 활용합니다. (이미지 출처: Tesla)

설계자들은 낮은 비용, 긴 수명, 양호한 전기적 특성을 높은 에너지 밀도보다 더 중요하게 여기는 응용 분야에 LiFePO₄ 배터리를 점점 더 많이 고려하고 있습니다. 예를 들면 무선 제어 장치, 휴대용 모터 구동 제품, 특히 산업용 사물 인터넷(IIoT) 센서가 있습니다.

선별된 엔지니어 그룹만 EV와 같은 실험적 제품 설계에 참여하므로 이러한 보통의 응용 분야에서 LiFePO₄ 전원을 찾을 가능성이 더 늘어나고 있습니다.

취급 시 주의 사항

리튬 이온과 LiFePO₄ 은 몇 가지 유사한 점이 있습니다. 예를 들어 에너지는 리튬 이온의 움직임에서 나오며, 리튬 이온은 장치에 전원을 공급할 전류를 생성하기 위해 전자를 자유롭게 합니다. 그러나 한 가지 중요한 차이점은 배터리가 충전되는 방식에 있습니다. LiFePO₄ 배터리는 리튬 이온과는 다른 전기적 특성을 지니고 있어 충전 프로파일을 변경합니다. 변형은 미미하지만 최대 잠재력을 구현하기 위해 LiFePO₄를 이해하는 데 중요합니다.

그림 3과 4(Texas Instruments 제공)는 일반적인 리튬 이온과 LiFePO₄ 충전 프로파일 간의 차이를 보여줍니다. LiFePO₄ 충전 알고리즘(그림 4)에는 리튬 이온 배터리 충전 주기(그림 3)의 일반적인 정전압(CV) 모드가 필요하지 않습니다. 대신 LiFePO4 배터리는 고속 정전류(CC)로 과충전 전압까지 급속 충전된 다음 더 낮은 부동 전압 임곗값까지 ‘완화’될 수 있습니다. CV 제어를 제거하면 충전 시간이 크게 줄어듭니다. 충전 주기 동안 내부 제어 루프는 일반적으로 전력 관리 IC(PMIC) 접합 온도를 모니터링하고 온도 임곗값이 초과되면 충전 전류를 줄입니다.

그림 3: 리튬 이온 배터리 충전은 세 가지 개별 단계를 따릅니다. 먼저 배터리는 예비 충전을 위해 보통의 정전류로 충전된 다음 더 높은 정전류로 에너지가 빠르게 충전됩니다. 마지막으로 충전 전압이 배터리 출력과 일치하면 프로파일은 정전압으로 전환되어 배터리를 용량까지 완만하게 충전합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

그림 4: LiFePO4 배터리 충전은 리튬 이온 방식과 다릅니다. 예비 충전 이후 배터리는 정전류를 사용하여 전체 용량까지 충전됩니다. 그런 다음 전압이 먼저 ‘완화’되고 나면 약간의 추가 충전을 사용하여 플로팅됩니다. 리튬 이온 주기와 비교하면 LiFePO4 충전이 더 빠릅니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

그 외 충전 프로파일 간의 차이는 배터리 화학 물질의 차이로 인해 LiFePO₄ 배터리의 최대 충전 전압이 더 낮다는 점입니다. LiFePO₄ 배터리의 최대 충전 전압은 3.5V로 떨어지기 전에 3.6V의 과전압으로 제한이 되는 반면 리튬 이온 배터리는 4.1V 또는 4.2V로 제한됩니다.

LiFePO₄용 콤팩트 충전기

LiFePO₄ 사용의 증가로 인해 칩 회사는 최적화된 프로파일을 사용하는 전지 충전 전용 모놀리식 IC를 도입하게 되었습니다. 이를 통해 전력 관리 회로를 처음부터 설계하지 않고도 기술을 통합할 수 있습니다.

한 가지 예는 Texas Instruments의 BQ25070DQCR LiFePO₄ PMIC입니다. 이 장치는 2mm x 3mm 패키지에 들어있으며 최대 1.2A에서 3.7V 과충전 전압과 3.5V 부동 전압을 공급합니다.

두 번째 예는 Microchip Technology의 MCP73123T-22S/MF입니다. 이 장치는 4V ~ 16V 입력에서 작동하며 1.1A의 최대 충전 전류를 제공합니다. 고속 충전 CC 값은 충전되는 배터리에 따라 130mA에서 상한까지 외부 저항기를 사용하여 설정합니다. 또한 MCP73123/223은 고전력 또는 높은 주위 온도 조건에서 다이 온도를 기준으로 충전 전류를 제한합니다(그림 5).

그림 5: Microchip Technology의 LiFePO4 PMIC 회로도 PROG 핀에 연결된 저항기는 최대 충전 전류를 설정합니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

세 번째 솔루션은 Analog Devices에서 제공합니다. MAX77787JEWX+ PMIC는 4.5V ~ 13.4V의 입력 전압으로 작동하며 최대 충전 전류는 3.15A입니다. 고속 충전 전류 및 종단 전압은 외부 저항기를 사용하여 구성됩니다. 2.75mm x 2.75mm 장치는 LiFePO₄ 및 리튬 이온 충전을 모두 지원합니다.

결론

에너지 밀도와 공급 전원에서 리튬 이온에 비해 상대적인 트레이드 오프가 있지만 LiFePO₄ 배터리는 더 많은 충전 주기와 고속 충전 이점을 제공합니다. 또한 LiFePO4 배터리는 EV 및 IIoT 센서를 포함하여 비용에 민감한 많은 응용 분야에 적합합니다. 목적에 따라 설계된 모놀리식 충전기를 사용하면 최적화된 충전 프로파일이 긴 수명과 신뢰성을 보장한다는 사실을 알 수 있어 배터리 화학을 안전하고 쉽게 사용할 수 있습니다.