'가스 발생' 딜레마 풀었다…LG엔솔·서울대, 차세대 LMR 배터리 수명 연장 성공

|스마트투데이=김종현 기자| LG에너지솔루션과 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구진이 차세대 LMR(리튬망간리치) 배터리의 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 확인하는 공동 연구 성과를 7일 발표했다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

LMR 배터리는 값비싼 금속인 코발트를 배제하고 비교적 저렴한 망간을 주원료로 사용해 제조 원가를 크게 낮출 수 있는 차세대 양극 소재다. 니켈, 망간 같은 전이금속뿐만 아니라 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용해 높은 에너지 밀도를 구현하는 것이 특징이다.

하지만 LMR 배터리는 충전 중 산화된 산소가 방전 과정에서 완벽히 원래 상태로 회복되지 않는다는 단점이 있었다. 배터리 내부에서 화학적 반응을 일으킨 물질이 본래의 상태로 되돌아오는 성질을 '가역성'이라고 하는데, 산소의 가역성이 떨어지면 배터리 내부 구조가 손상되고 가스가 발생하게 된다. 특히 내부 여유 공간이 제한적인 전기차용 배터리에서는 가스 발생이 압력 상승과 성능 저하로 직결되기 때문에 상용화의 가장 큰 난제로 꼽혀왔다.

공동 연구팀은 산소 회복을 좌우하는 핵심 변수가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 있음을 밝혀냈다. 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 크게 향상됐으며, 방전을 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행했을 때 산소가 거의 원래 상태로 회복되는 현상을 확인했다.

LG에너지솔루션 연구진은 이 분석 결과를 토대로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화(Formation) 공정 조건을 재설계했다. 40Ah(암페어시)급 대형 셀이란 스마트폰 등에 쓰이는 소형 배터리와 달리, 실제 전기차 구동에 필요한 대용량 에너지를 담을 수 있는 실물 규격을 의미한다. 연구진은 배터리를 조립한 후 처음 전기를 충전해 활성화하는 공정 단계에서 온도를 낮춰 대형 셀 특유의 가스 발생을 억제했다.

그 결과, 최적화된 조건이 적용된 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회의 충·방전 평가 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지하는 수명 안정성을 보였다.

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.