LG엔솔·서울대, 차세대 LMR 배터리 대형 셀 상용화 기술 확보

LG에너지솔루션은 임종우 서울대 화학부 교수 연구진과의 공동 연구를 통해 리튬망간리치(LMR) 배터리의 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 높이는 연구 성과를 냈다고 7일 밝혔다. 이 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.
LMR은 코발트 대신 저렴한 망간을 주원료로 사용해 소재 비용을 줄일 수 있는 차세대 양극 소재다. 니켈·망간 등 전이금속뿐 아니라 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다.

다만 충전 중 산화된 산소가 방전 과정에서 완전히 회복되지 않으면 배터리 내부 구조가 손상되고 가스가 발생할 수 있다. 이는 내부 여유 공간이 제한적인 전기차용 대형 셀에서 내부 압력 상승과 성능 저하로 이어져 LMR 상용화의 걸림돌로 꼽혀왔다.

공동연구팀은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 거동을 분석한 결과, 산소 회복을 좌우하는 변수가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 있다는 점을 확인했다. 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 높아졌다. 방전을 기존 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행했을 때는 산소가 거의 원래 상태로 회복되는 현상이 나타났다.
LG에너지솔루션 연구진은 이 분석 결과를 토대로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화(Formation) 공정 조건을 재설계했다. 활성화 단계에서 온도를 낮추는 공정을 적용해 대형 셀에서 발생하는 가스를 억제했다.

이렇게 최적화된 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회의 충·방전 평가 후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지한 것으로 나타났다.

임종우 서울대 교수는 "이번 연구가 LMR 배터리의 열화 원인을 산소의 가역성 관점에서 규명하고, 전기화학 프로토콜 설계만으로도 셀 안정성을 개선할 수 있음을 보여준 결과"라며 "충전 조건뿐 아니라 방전 조건까지 함께 고려해야 LMR 배터리의 장기 안정성을 확보할 수 있다는 점을 확인했다"고 설명했다.

LG에너지솔루션 관계자는 이번 연구를 통해 LMR 배터리의 주요 과제였던 가스 발생을 억제해 대형 셀에서도 안정적인 배터리 수명을 확보할 수 있음을 보여줬다고 밝혔다.

유덕규 글로벌이코노믹 기자 udeok@g-enews.com