LG에너지솔루션이 서울대와 공동 연구를 통해 차세대 리튬망간리치(LMR) 배터리의 수명 안정성을 높이는 기술을 개발했다. 충·방전 과정에서 발생하는 가스와 용량 저하 원인을 규명하고 이를 제어할 수 있는 대형 셀 운용 조건을 찾아냈다.
LG에너지솔루션은 임종우 서울대 화학부 교수 연구진과 공동으로 LMR 배터리의 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 높이는 연구 성과를 냈다고 7일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
LMR은 값비싼 코발트 사용을 줄이고 망간 비중을 높여 소재 비용을 낮출 수 있는 차세대 양극 소재다. 에너지 밀도가 높은 것도 장점이다.
다만 충·방전을 반복하면 평균 작동 전압이 낮아지면서 배터리 출력과 에너지 효율이 떨어지는 문제가 있다. 특히 충전 과정에서 산화된 산소가 방전 때 충분히 환원되지 않으면 가스가 발생해 내부 압력이 높아지고 성능이 저하될 수 있다.
공동 연구팀은 산소의 회복 정도가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 영향을 받는다는 점을 확인했다.
충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 높아졌다. 방전 하한 전압을 기존 3.0V에서 2.0V까지 낮췄을 때는 산소가 대부분 원래 상태로 회복됐다.
LG에너지솔루션은 이를 토대로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화 공정 조건을 다시 설계했다. 해당 조건을 적용한 셀은 883회의 충·방전 평가 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지했다.
회사 측은 소형 셀 단계에 머물렀던 LMR 관련 연구를 실제 전기차에 적용할 수 있는 대형 셀 수준에서 검증했다는 데 의미가 있다고 설명했다.
임종우 서울대 교수는 “LMR 배터리의 열화 원인을 산소의 가역성 관점에서 규명한 연구”라며 “충전뿐 아니라 방전 조건을 함께 고려해야 장기 안정성을 확보할 수 있다는 점을 확인했다”고 말했다.
LG에너지솔루션 관계자는 “LMR 배터리의 주요 과제인 가스 발생을 억제하고 대형 셀에서도 배터리 수명을 확보할 가능성을 확인했다”고 말했다.
김재원 기자 jkim@segye.com
