[이코노미스트 김두용 기자] LG에너지솔루션이 서울대와 손을 잡고 차세대 리튬망간리치(LMR) 배터리의 상용화 기술 열었다. 배터리의 안정성을 혁신적으로 개선할 수 있는 핵심 기술을 확보하면서다. 

LG에너지솔루션은 7일 임종우 서울대학교 화학부 교수 연구진과 공동 연구해 LMR 배터리의 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 높이는 연구 성과를 달성했다고 밝혔다. 해당 연구는 세계적인 권위의 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications)에 게재됐다.

공동 연구팀은 LMR 배터리 충·방전 과정에서 발생하는 가스 발생과 용량 저하의 원인을 규명하고 이를 제어할 수 있는 대형 셀 최적 운용 조건을 개발했다. 

LMR은 코발트 대신 저렴한 망간을 주원료로 활용해 소재 비용을 크게 줄일 수 있는 차세대 양극 소재로 꼽힌다. 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 충·방전이 반복됨에 따라 평균 작동 전압이 점진적으로 저하되는 단점이 있다. 이는 배터리의 전체 출력과 에너지 효율을 지속적으로 감소시키는 주된 원인으로 지적돼 왔다. 

특히 충전 중 산화된 산소가 방전 과정에서 완벽히 회복되지 않으면 내부 압력 상승과 성능 저하를 유발할 수 있어 상용화의 최대 난제로 여겨져 왔다.

공동연구팀은 산소 회복을 좌우하는 핵심 변수가 충전 상한 전압뿐 아니라 ‘방전 하한 전압’에도 있음을 밝혀냈다. 실제로 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 크게 향상됐다. 방전을 기존 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행했을 때 산소가 거의 원래 상태로 회복되는 현상을 확인했다.

LG에너지솔루션 연구진은 이를 토대로 40Ah(암페어시)급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화 공정 조건을 재설계했다. 최적의 조건을 적용한 결과 883회의 충·방전 평가 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지하며 높은 수명 안정성을 입증했다고 설명했다. 

이번 연구 결과는 소형 셀을 넘어 실제 전기차에 탑재할 수 있는 대형 셀 수준에서 LMR 소재의 상용화 가능성을 입증했다는 점에서 의미가 크다는 평가다.

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 성과다. 이를 통해 차세대 LMR 배터리 시장에서의 성장을 가속할 수 있는 중요한 발판을 마련했다"고 말했다.

ⓒ이코노미스트(https://economist.co.kr) '내일을 위한 경제뉴스 이코노미스트' 무단 전재 및 재배포 금지