LG에너지솔루션-서울대, 차세대 LMR배터리 상용화 길 열었다

LMR 배터리 상용화 최대 난제 가스 발생 문제 해결
대형 셀 최적화…883회 구동 후 에너지 92.2% 유지
국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’도 게재

[이데일리 최오현 기자] LG에너지솔루션과 서울대가 차세대 리튬망간리치(LMR) 배터리 안정성을 혁신적으로 개선할 수 있는 핵심 기술을 확보했다.

LG에너지솔루션 폴란드 브로츠와프 공장. (사진=LG에너지솔루션)

LG에너지솔루션은 서울대 화학부 임종우 교수 연구진과 함께 LMR 배터리 충·방전 과정에서 발생하는 가스 발생과 용량 저하의 원인을 규명하고, 이를 제어할 수 있는 대형 셀 최적 운용 조건을 개발했다고 7일 밝혔다. 전기차용 대형 셀 수준에서 LMR 배터리 상용화 가능성을 확인한 것이다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.

LMR은 코발트를 사용하지 않고 저렴한 망간을 주원료로 활용해 소재 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 차세대 양극 소재다. 니켈과 망간 같은 전이금속 뿐 아니라 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 충전 중 산화된 산소가 방전 과정에서 완벽히 회복되지 않으면 배터리 내부 구조가 손상되고 가스가 발생한다. 이는 내부 공간이 제한적인 전기차용 대형 셀에서 압력 상승과 성능 저하를 유발해 LMR 상용화의 최대 난제로 여겨져 왔다.

공동연구팀은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 거동을 정밀 분석했고, 산소 회복을 좌우하는 핵심 변수가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 있음을 밝혀냈다.

실제로 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 크게 향상됐다. 또한 방전을 기존 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행했을 때 산소가 거의 원래 상태로 회복되는 현상을 확인했다.

LG에너지솔루션 연구진은 이 같은 분석을 토대로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화 공정 조건을 재설계했다. 활성화 단계에서 온도를 낮춰 가스 발생을 억제했다.

그 결과 최적화된 조건의 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회의 충·방전 평가 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지했다. 이는 소형 셀을 넘어 실제 전기차에 탑재 가능한 대형 셀 수준에서 LMR 소재의 상용화 가능성을 확인한 데 의미가 있다.

임종우 교수는 이번 연구를 두고 “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 “대형 셀에서도 안정적인 배터리 수명을 확보할 수 있음을 보여준 성과”라며 “차세대 LMR 배터리 시장에서의 성장을 가속할 수 있는 중요한 발판을 마련했다”고 말했다.

최오현 (ohyo@edaily.co.kr)