코발트 없이 저렴한 망간을 활용해 전기차 배터리의 가격 경쟁력과 성능을 동시에 끌어올릴 차세대 양극 소재의 고질적인 한계를 개선한 연구결과가 나왔다.

LG에너지솔루션은 7일 서울대 화학부 임종우 교수 연구진과의 공동 연구를 통해 차세대 LMR(리튬망간리치) 배터리의 가스 발생과 용량 저하 원인을 규명하고, 이를 제어하는 대형 셀 최적 운용 조건을 개발했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

LMR은 코발트를 배제하고 저렴한 망간을 주원료로 사용하는 차세대 양극 소재다. 소재 비용을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 니켈·망간 같은 전이금속과 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용해 높은 에너지 밀도를 구현한다.

다만 충전 중 산화된 산소가 방전 과정에서 완전히 회복되지 않는 문제가 있었다. 이는 배터리 내부 구조 손상과 가스 발생을 유발하며, 내부 여유 공간이 제한적인 전기차용 대형 셀에서는 압력 상승과 성능 저하로 이어진다. 이 문제는 LMR 상용화의 최대 난제로 꼽혀왔다.

공동연구팀은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 거동을 정밀 분석해, 산소 회복을 좌우하는 핵심 변수가 충전 상한 전압과 방전 하한 전압에 있음을 확인했다.

실제로 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 크게 향상됐다. 또한 방전을 기존 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행했을 때 산소가 거의 원래 상태로 회복되는 현상도 확인했다.

LG에너지솔루션 연구진은 이 분석 결과를 토대로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화(Formation) 공정 조건을 재설계했다. 활성화 단계에서 온도를 낮추는 공정을 적용해 대형 셀 특유의 가스 발생을 효과적으로 억제했다.

그 결과 최적화된 조건이 적용된 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회의 충·방전 평가를 거친 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지하며 우수한 수명 안정성을 입증했다. 소형 셀을 넘어 실제 전기차에 탑재 가능한 대형 셀 수준에서 LMR 소재의 상용화 가능성을 확인한 것이다.

임종우 서울대 교수는 "이번 연구는 LMR 배터리의 열화 원인을 산소의 가역성 관점에서 규명하고, 전기화학 프로토콜 설계만으로도 셀의 안정성을 개선할 수 있음을 보여준 결과"라며 "충전 조건뿐 아니라 방전 조건까지 종합적으로 고려해야 LMR 배터리의 장기 안정성을 확보할 수 있음을 확인했다"고 설명했다.

LG에너지솔루션 관계자는 "이번 연구는 LMR 배터리의 주요 과제였던 가스 발생을 효과적으로 억제해 대형 셀에서도 안정적인 배터리 수명을 확보할 수 있음을 보여준 성과"라며 "차세대 LMR 배터리 시장에서의 성장을 가속할 수 있는 중요한 발판을 마련했다"고 말했다.