LG엔솔·서울대, LMR 배터리 상용화 난제 풀었다…2028년 양산 '청신호'
충·방전 전압·활성화 공정 최적화
LG에너지솔루션이 서울대학교와 공동 연구를 통해 차세대 LMR(리튬망간리치) 배터리 상용화의 최대 난제로 꼽히던 가스 발생 문제를 개선하는 데 성공했다. 특히 실제 전기차 탑재를 염두에 둔 40Ah(암페어시)급 대형 셀에서 높은 수명 안정성을 확인하면서 회사가 목표로 하고 있는 2028년 LMR 배터리 양산에도 기술적 기반을 더하게 됐다.
LG에너지솔루션은 서울대 화학부 임종우 교수 연구진과 공동 연구를 통해 LMR 배터리의 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 높이는 연구 성과를 확보했다고 7일 밝혔다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.
LMR은 코발트를 사용하지 않고 상대적으로 가격이 낮은 망간을 주원료로 활용하는 차세대 양극 소재다. 니켈과 망간 등 전이금속뿐 아니라 양극 소재 내부의 산소까지 에너지 저장 과정에 활용할 수 있어 원가를 낮추면서도 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 것이 장점이다.
그간 산소를 활용하는 구조가 LMR의 장점인 동시에 상용화를 가로막는 요인이었다. 충전 과정에서 산화된 산소가 방전 때 원래 상태로 충분히 돌아오지 못하면 배터리 내부 구조가 손상되고 가스가 발생할 수 있다.
특히 내부 공간이 제한적인 전기차용 대형 셀은 가스 발생이 내부 압력 상승과 성능 저하로 연결될 수 있어 해결해야 할 핵심 과제로 꼽혀왔다.
공동 연구팀은 충·방전 조건에 따라 산소의 산화·환원 과정이 어떻게 달라지는지 분석했다. 그 결과 산소 회복 정도를 좌우하는 변수가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 있다는 점을 확인했다.
실제 충전 상한 전압을 기존 4.6V(볼트)에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율은 86%에서 97%로 높아졌다. 방전 역시 기존 3.0V에서 2.0V까지 진행하자 산소가 거의 원래 상태로 회복되는 현상이 나타났다.
LG에너지솔루션 연구진은 이를 바탕으로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 초기 활성화(Formation) 공정 조건을 다시 설계했다. 활성화 과정의 온도를 낮추는 방식도 적용해 대형 셀에서 나타나는 가스 발생을 억제했다.
LG에너지솔루션은 올해 초 실적 발표에서 전기차 시장의 중저가 제품 수요에 대응하기 위해 LFP와 고전압 미드니켈을 비롯해 LMR까지 제품군을 확대한다는 전략을 제시했다. 특히 LMR 각형 배터리는 올해 상반기 오창에서 샘플 생산을 시작하고 2028년 양산을 준비하겠다는 계획이다.
LMR은 가격 경쟁력이 높은 LFP와 에너지 밀도가 높은 삼원계 배터리 사이의 제품군을 넓힐 수 있는 카드로 주목받고 있다.
LG에너지솔루션은 지난 5월에도 LMR 배터리 관련 핵심 특허를 확보한 연구진을 '발명왕'으로 선정하는 등 관련 기술 확보에 힘을 싣고 있다. LMR과 46시리즈, 배터리 안전 기술 등을 미래 배터리 시장을 겨냥한 주요 지식재산 분야라는 설명이다.
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 말했다.
LG에너지솔루션 관계자는 "LMR 배터리의 주요 과제였던 가스 발생을 효과적으로 억제해 대형 셀에서도 안정적인 배터리 수명을 확보할 수 있음을 보여준 성과"라며 "차세대 LMR 배터리 시장에서 성장을 가속할 수 있는 중요한 발판을 마련했다"고 말했다.