LG엔솔, 서울대와 LMR 배터리 난제 풀었다

[아이뉴스24 권서아 기자] LG에너지솔루션과 서울대학교가 차세대 리튬망간리치(LMR) 배터리의 가스 발생을 줄이고 수명을 늘리는 기술을 개발했다. 전기차에 사용할 수 있는 40암페어시(Ah)급 대형 셀에서도 성능을 확인했다.

LG에너지솔루션은 서울대 화학부 임종우 교수 연구진과 공동 연구를 통해 LMR 배터리에서 가스가 발생하고 용량이 줄어드는 원인을 규명했다고 7일 밝혔다. 이를 토대로 배터리를 충·방전하는 조건도 새롭게 설계했다.

연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

LMR은 값비싼 코발트 대신 상대적으로 저렴한 망간을 주원료로 사용하는 양극 소재다. 니켈·망간뿐 아니라 소재 내부의 산소까지 활용해 전기를 저장하기 때문에 가격을 낮추면서도 많은 에너지를 저장할 수 있다는 장점이 있다.

문제는 충·방전을 반복하는 과정에서 발생한다. 충전할 때 변한 산소가 방전 과정에서 원래 상태로 충분히 돌아오지 않으면 배터리 내부 구조가 손상되고 가스가 발생할 수 있다. 가스가 쌓이면 배터리 내부 압력이 높아지고 성능도 떨어진다.

공동 연구팀은 이 문제를 줄이기 위해 배터리를 얼마나 충전하고 방전할지를 결정하는 전압 조건에 주목했다. 기존에는 주로 충전 전압이 중요하다고 봤지만 이번 연구에서는 방전 전압도 산소를 원래 상태로 되돌리는 데 영향을 미친다는 사실을 확인했다.

실제로 충전 상한 전압을 4.6볼트(V)에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소가 원래 상태로 돌아오는 비율은 86%에서 97%로 높아졌다. 방전 하한 전압을 3.0V에서 2.0V로 낮췄을 때는 산소 대부분이 원래 상태로 돌아왔다.

LG에너지솔루션은 이 결과를 바탕으로 전기차에 적용할 수 있는 40Ah급 LMR 대형 셀의 충·방전 전압을 조정했다. 배터리를 처음 사용할 수 있는 상태로 만드는 초기 활성화(Formation) 공정의 온도도 낮춰 가스 발생을 줄였다.

그 결과 40Ah급 셀은 883회 충·방전한 뒤에도 처음 에너지의 92.2%를 유지했다. 소형 실험용 배터리가 아니라 실제 전기차에 적용할 수 있는 대형 셀에서 장기간 성능을 유지했다는 점이 이번 연구의 핵심이다.

임종우 서울대 교수는 "LMR 배터리의 열화 원인을 산소의 가역성 관점에서 규명한 결과"라며 "충전뿐 아니라 방전 조건까지 함께 고려해야 장기 안정성을 확보할 수 있음을 확인했다"고 말했다.

LG에너지솔루션 관계자는 "LMR 배터리의 주요 과제였던 가스 발생을 억제해 대형 셀에서도 안정적인 수명을 확보할 수 있음을 보여준 성과"라고 말했다.