[서울=뉴스핌] 김지헌 기자= LG에너지솔루션이 서울대학교 연구진과 공동 연구를 통해 차세대 리튬망간리치(LMR) 배터리의 가스 발생 문제를 개선하고 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 높였다.

LG에너지솔루션은 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구진과 공동으로 LMR 배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 가스와 용량 저하의 원인을 규명하고, 이를 제어할 수 있는 대형 셀 최적 운용 조건을 개발했다고 7일 밝혔다. 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 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 것이 특징이다.

다만 충전 과정에서 산화된 산소가 방전 때 충분히 회복되지 않으면 배터리 내부 구조가 손상되고 가스가 발생할 수 있다. 특히 내부 여유 공간이 작은 전기차용 대형 셀에서는 압력 상승과 성능 저하로 이어질 수 있어 상용화의 주요 난제로 꼽혀왔다.

공동 연구팀은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 거동을 분석한 결과 산소 회복 정도가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 영향을 받는다는 점을 확인했다.

충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮췄을 때 산화된 산소의 환원율은 86%에서 97%로 상승했다. 방전 하한 전압을 기존 3.0V에서 2.0V까지 낮춘 경우에는 산소가 대부분 원래 상태로 회복되는 현상도 확인했다.

LG에너지솔루션 연구진은 이를 토대로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화(Formation) 공정 조건을 재설계했다. 활성화 단계에서 온도를 낮추는 공정을 적용해 대형 셀에서 발생하는 가스도 억제했다.

최적화 조건을 적용한 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회의 충·방전 평가 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지했다. 회사 측은 소형 셀을 넘어 실제 전기차 적용을 염두에 둔 대형 셀에서도 LMR 소재의 장기 수명 가능성을 확인했다는 데 의미가 있다고 설명했다.

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 발판을 마련했다"고 말했다.

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