LG에너지솔루션과 서울대가 차세대 LMR(리튬망간리치) 배터리의 안정성을 높이는 핵심 기술을 확보하며 전기차용 대형 셀 상용화 가능성을 입증했다.

특히 연구진이 개발한 최적화 조건을 적용한 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회의 충·방전 평가 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지했다. 소형 실험용 셀이 아닌 실제 전기차에 적용할 수 있는 대형 셀 수준에서 장기 수명 안정성을 확인했다는 점에서 의미가 있다.

7일 LG에너지솔루션은 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구진과의 공동 연구를 통해 LMR 배터리의 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 높이는 연구 성과를 달성했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 기술적 성과와 학술적 가치를 인정받아 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

◇ 산소 반응 가역성 조절로 가스 발생 억제...대형 셀 상용화 기틀

공동연구팀은 LMR 배터리 충·방전 과정에서 발생하는 가스와 용량 저하의 원인을 규명하고 이를 제어할 수 있는 대형 셀 최적 운용 조건을 개발했다.

LMR은 코발트를 사용하지 않고 상대적으로 저렴한 망간을 주원료로 활용해 소재 비용을 낮출 수 있는 차세대 양극 소재다. 니켈과 망간 등 전이금속뿐 아니라 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.

반면 충전 과정에서 산화된 산소가 방전 과정에서 충분히 회복되지 않으면 배터리 내부 구조 손상과 가스 발생으로 이어질 수 있다. 특히 내부 여유 공간이 제한적인 전기차용 대형 셀에서는 압력 상승과 성능 저하를 유발해 LMR 배터리 상용화의 주요 난제로 꼽혀왔다.

공동연구팀은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 거동을 정밀 분석한 결과, 산소 회복을

좌우하는 핵심 변수가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 있다는 사실을 밝혀냈다.

실제로 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율은 86%에서 97%로 향상됐다. 또 방전을 기존 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행했을 경우 산소가 거의 원래 상태로 회복되는 현상도 확인했다.

LG에너지솔루션 연구진은 이 같은 분석을 바탕으로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화(Formation) 공정 조건을 재설계했다. 특히 활성화 단계의 온도를 낮추는 공정을 적용해 대형 셀에서 문제가 됐던 가스 발생을 효과적으로 억제했다.

이를 통해 40Ah급 LMR 대형 셀에서 장기간 안정적인 성능을 확보하면서 LMR 소재가 실제 전기차용 배터리로 활용될 가능성을 한층 높였다는 평가다.

임종우 서울대 교수는 “이번 연구는 LMR 배터리의 열화 원인을 산소의 가역성 관점에서 규명하고, 전기화학 프로토콜 설계만으로도 셀의 안정성을 개선할 수 있음을 보여준 결과”라며 “충전 조건뿐 아니라 방전 조건까지 종합적으로 고려해야 LMR 배터리의 장기 안정성을 확보할 수 있음을 확인했다”고 설명했다.

LG에너지솔루션 관계자는 “이번 연구는 LMR 배터리의 주요 과제였던 가스 발생을 효과적으로 억제해 대형 셀에서도 안정적인 배터리 수명을 확보할 수 있음을 보여준 성과”라며 “이를 통해 차세대 LMR 배터리 시장에서의 성장을 가속할 수 있는 중요한 발판을 마련했다”고 말했다.