LG엔솔·서울대, 차세대 LMR 배터리 '가스 발생' 난제 해결

LMR 배터리 대형 셀서 883회 충·방전 후에도 에너지 92.2% 유지
네이처 커뮤니케이션즈에 게재…전기차 탑재 가능성 입증

[파이낸셜뉴스]LG에너지솔루션과 서울대가 차세대 배터리 소재로 꼽히는 리튬망간리치(LMR)의 상용화를 가로막아온 걸림돌을 걷어냈다.

LG에너지솔루션은 7일 서울대 화학부 임종우 교수 연구진과의 공동 연구를 통해 LMR 배터리를 전기차용 대형 셀에 적용할 수 있는 길을 열었다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재돼 학술적 가치도 인정받았다.

LMR은 값비싼 코발트 대신 저렴한 망간을 주원료로 써서 소재 비용을 크게 낮출 수 있는 차세대 양극재다. 니켈·망간 같은 금속뿐 아니라 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용할 수 있어 에너지 밀도를 끌어올릴 수 있다는 장점이 있다.

문제는 충전 중 산화됐던 산소가 방전 과정에서 완전히 되돌아오지 않을 때 발생한다. 이 경우 배터리 내부 구조가 손상되고 가스가 차오르는데, 특히 내부 여유 공간이 좁은 전기차용 대형 셀에서는 압력 상승과 성능 저하로 이어져 그동안 LMR 상용화의 최대 걸림돌로 꼽혀왔다.

공동연구팀은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 거동을 정밀하게 들여다봤고, 산소가 제대로 회복되는지를 좌우하는 변수가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 있다는 사실을 새롭게 밝혀냈다. 실제 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화됐던 산소의 환원율이 86%에서 97%로 크게 뛰었다. 방전도 기존 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행하자 산소가 거의 원래 상태로 돌아오는 현상이 확인됐다.

이 분석 결과를 바탕으로 LG에너지솔루션 연구진은 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화 공정 조건을 다시 설계했다. 특히 활성화 단계의 온도를 낮추는 방식으로 대형 셀에서 유독 두드러지던 가스 발생을 효과적으로 억제했다.

그 결과 새로 최적화된 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회의 충·방전을 거친 뒤에도 초기 에너지의 92.2%를 유지하는 성능을 보였다. 소형 셀 수준을 넘어 실제 전기차에 탑재 가능한 대형 셀에서 LMR 소재의 상용화 가능성을 확인했다는 점에서 의미가 크다는 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.

[email protected] 김동찬 기자