LG에너지솔루션은 서울대 화학부 임종우 교수 연구진과 LMR 배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 가스와 용량 저하의 원인을 규명하고, 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 높이는 연구 성과를 달성했다고 7일 밝혔다.
연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.
LMR은 코발트를 사용하지 않고 상대적으로 가격이 저렴한 망간을 주원료로 활용하는 양극 소재다. 니켈과 망간 등 전이금속뿐 아니라 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용해 에너지 밀도를 높일 수 있다.
다만 충전 과정에서 산화된 산소가 방전 과정에서 원래 상태로 충분히 회복되지 않으면 배터리 내부 구조가 손상되고 가스가 발생할 수 있다. 내부 공간이 제한적인 전기차용 대형 셀에서는 가스 발생이 내부 압력 상승과 성능 저하로 이어질 수 있어 상용화를 위한 주요 해결 과제로 꼽혀왔다.
공동 연구팀은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 과정을 분석해 산소의 회복 정도가 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압의 영향도 받는다는 사실을 확인했다.
충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율은 86%에서 97%로 높아졌다. 방전 하한 전압을 기존 3V에서 2V로 낮췄을 때는 산소가 대부분 원래 상태로 회복됐다.
LG에너지솔루션은 연구 결과를 바탕으로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화 공정 조건을 재설계했다. 활성화 단계에서는 온도를 낮추는 공정을 적용해 가스 발생을 줄였다.
LG에너지솔루션은 2009년부터 LMR 양극재 연구를 시작했다. LMR 양극재와 실리콘계 음극재를 결합하고 초기 활성화 전압과 이후 구동 전압을 다르게 설정하는 셀 설계 기술을 개발해 왔다.
LG에너지솔루션은 지난 1월 충북 오창에서 LMR 각형 배터리 샘플 생산을 시작하고 2028년 양산을 준비한다는 계획을 밝혔다.
미국 제너럴모터스(GM)와는 전기 트럭과 대형 SUV에 적용할 LMR 각형 배터리를 공동 개발하고 있다. 2027년 말까지 LG에너지솔루션 시설에서 시범 생산을 시작하고 양사의 합작법인 얼티엄셀즈를 통해 2028년까지 미국에서 생산에 나설 계획이다.
LG에너지솔루션 관계자는 “이번 연구는 LMR 배터리의 주요 과제였던 가스 발생을 효과적으로 억제해 대형 셀에서도 안정적인 배터리 수명을 확보할 수 있음을 보여준 성과”라며 "이를 통해 차세대 LMR 배터리 시장에서의 성장을 가속할 수 있는 중요한 발판을 마련했다"고 말했다.
[소비자가만드는신문=임규도 기자]
