LG에너지솔루션-서울대 공동 연구팀, LMR 배터리 가스 발생 억제 기술 확보

LG에너지솔루션이 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구진과의 공동 연구를 통해 LMR 배터리의 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 높이는 연구 성과를 달성했다. 서울대학교 화학부 임종우 교수. 사진제공｜LG에너지솔루션

​[스포츠동아 원성열 기자] LG에너지솔루션과 서울대학교 화학부 임종우 교수 공동 연구팀이 차세대 리튬망간리치(LMR) 배터리의 최대 난제로 꼽히던 가스 발생 및 수명 저하 문제를 해결할 수 있는 핵심 기술을 확보했다. 전기차용 대형 셀 상용화의 길을 연 이번 연구 결과는 기술적 성과와 학술적 가치를 높게 인정받아 세계적 권위의 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 7일 LG에너지솔루션에 따르면 이번 연구는 소형 시험용 셀 수준을 넘어 실제 전기차에 탑재할 수 있는 40Ah급 대형 셀에서 안정성을 입증했다는 점에서 이차전지 업계의 큰 주목을 받고 있다. ​LMR은 값비싼 코발트를 사용하는 대신 저렴한 망간을 주원료로 활용해 소재 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 차세대 양극재다. 니켈과 망간 등 전이금속뿐만 아니라 양극 소재 내부의 산소까지 에너지 저장 반응에 활용해 높은 energy 밀도를 구현하는 장점이 있다. 하지만 충전 과정에서 산화된 산소가 방전 시 완벽하게 회복되지 않으면 내부 구조 손상과 함께 다량의 가스가 발생하는 치명적인 약점이 존재했다. 이는 내부 여유 공간이 극히 제한적인 전기차용 대형 셀에서 내부 압력 상승과 급격한 성능 저하를 유발해 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

인터배터리 2026에서 공개된 LG에너지솔루션 LMR배터리. 사진제공｜LG에너지솔루션

​●산소 가역성 제어로 대형 셀 상용화 기틀 마련 ​ 공동 연구팀은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 거동을 정밀 분석해 산소 회복을 좌우하는 핵심 변수가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 있음을 명확히 규명했다. 실험 결과 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 급증했다. 여기에 방전 하한 전압을 기존 3.0V가 아닌 2.0V까지 확장해 진행할 경우 산소가 거의 초기 상태로 회복되는 현상을 정밀 검증해냈다. ​LG에너지솔루션은 이러한 기초 연구 결과를 바탕으로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 초기 활성화(Formation) 공정을 완전히 재설계했다. 특히 배터리 제조 활성화 단계에서 공정 온도를 낮추는 기술을 적용해 대형 셀 특유의 가스 발생을 효율적으로 억제하는 데 성공했다.

​●883회 구동 후에도 92.2% 성능 유지 ​ 최적화된 운용 조건이 적용된 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회에 달하는 가혹한 충·방전 가동 평가 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지하는 압도적인 수명 안정성을 보였다. 이는 복잡한 화학 물질 추가나 양극재 구조 개조 없이, 전압과 온도 등 전기화학적 프로토콜 조절만으로 배터리의 장기 안정성을 크게 올릴 수 있음을 입증한 사례다.

​ 임종우 서울대 교수는 “이번 연구는 LMR 배터리의 열화 원인을 산소 가역성 관점에서 규명하고 운용 조건 최적화만으로 안정성을 개선할 수 있음을 보여줬다”며 “방전 조건까지 종합적으로 고려해야 차세대 배터리의 수명을 확보할 수 있다”고 강조했다. LG에너지솔루션 관계자 역시 “LMR 배터리의 최대 과제였던 가스 발생을 억제해 대형 셀에서도 안정적인 수명을 확보한 만큼, 차세대 배터리 시장 주도권을 더욱 강화해 나갈 것”이라고 밝혔다.

원성열 기자 sereno@donga.com