[더테크 이승수 기자]  LG에너지솔루션과 서울대가 차세대 리튬망간리치(LMR) 배터리의 최대 난제로 꼽혀온 가스 발생 문제를 해결하고 전기차용 대형 셀 상용화 가능성을 높였다. 40Ah급 대형 셀에 기술을 적용한 결과 883회 이상 충·방전 후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지했다.

LG에너지솔루션은 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구진과 공동 연구를 통해 LMR 배터리의 가스 발생과 용량 저하 원인을 규명하고 이를 제어할 수 있는 대형 셀 최적 운용 조건을 개발했다고 7일 밝혔다.

LMR은 코발트를 사용하지 않고 상대적으로 저렴한 망간을 주원료로 활용하는 차세대 양극 소재다. 니켈과 망간뿐 아니라 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용해 높은 에너지 밀도를 구현하면서 소재 비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다.

반면 충전 과정에서 산화된 산소가 방전 때 완전히 회복되지 않으면 내부 구조 손상과 가스 발생으로 이어질 수 있다. 특히 내부 여유 공간이 제한적인 전기차용 대형 셀에서는 압력 상승과 성능 저하를 유발해 상용화의 주요 난제로 꼽혀왔다.

공동연구팀은 산소의 산화·환원 거동을 분석해 산소 회복을 좌우하는 핵심 변수가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 있다는 사실을 확인했다.

충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율은 86%에서 97%로 높아졌다. 방전도 기존 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행했을 때 산소가 거의 원래 상태로 회복됐다.

LG에너지솔루션은 이를 토대로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압과 활성화 공정 조건을 재설계하고, 활성화 단계의 온도를 낮춰 가스 발생을 억제했다. 최적화된 셀은 883회의 충·방전 평가 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지했다.

임종우 교수는 “전기화학 프로토콜 설계만으로도 셀 안정성을 개선할 수 있음을 보여준 결과”라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.