LG에너지솔루션은 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구진과 공동 연구를 통해 차세대 리튬망간리치(LMR) 배터리의 안정성을 개선할 수 있는 핵심 기술을 확보했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 LMR 배터리 충·방전 과정에서 발생하는 가스 발생과 용량 저하 원인을 규명하고, 이를 제어할 수 있는 대형 셀 최적 운용 조건을 개발했다. 이 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.

LMR은 코발트 대신 저렴한 망간을 주원료로 사용해 소재 비용을 낮추고, 전이금속과 소재 내 산소를 모두 에너지 저장에 활용해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 양극 소재다. 하지만 충전 중 산화된 산소가 방전 과정에서 완전히 회복되지 않으면 배터리 내부 구조 손상과 가스 발생이 발생할 수 있다. 특히 내부 여유 공간이 제한적인 전기차용 대형 셀에서는 내부 압력 상승과 성능 저하로 이어져 상용화에 어려움이 있었다.

공동 연구진은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 거동을 분석한 결과, 산소 회복에 영향을 미치는 변수가 충전 상한 전압뿐만 아니라 방전 하한 전압에도 있음을 확인했다. 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 상승했다. 또한 방전을 기존 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행하면 산소가 거의 원래 상태로 회복되는 현상을 관찰했다.

이 분석을 바탕으로 LG에너지솔루션은 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화 공정 조건을 재설계했다. 특히 활성화 단계에서 온도를 낮추는 공정을 적용해 가스 발생을 억제했다.

이 결과 최적화된 조건을 적용한 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회 충·방전 평가 후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지해 수명 안정성을 확인했다. 이는 실제 전기차 탑재가 가능한 대형 셀 수준에서 LMR 소재 상용화 가능성을 제시한 성과다.

임종우 서울대 교수는 “이번 연구는 LMR 배터리 열화 원인을 산소 가역성 관점에서 규명하고, 전기화학 프로토콜 설계만으로도 셀 안정성을 개선할 수 있음을 보여줬다”며 “충전뿐 아니라 방전 조건을 종합적으로 고려해야 장기 안정성 확보가 가능함을 확인했다”고 말했다.