LG에너지솔루션-서울대, LMR 배터리 가스 발생 난제 해결

LG에너지솔루션과 서울대학교가 차세대 리튬망간리치(LMR) 배터리의 가스 발생을 억제하고 수명을 향상시키는 기술을 개발했다. LG에너지솔루션은 서울대 화학부 임종우 교수 연구진과 공동 연구를 수행했으며, 7일 LMR 배터리의 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 높인 성과를 발표했다.

LMR은 코발트를 사용하지 않는 차세대 양극 소재다. 주원료는 상대적으로 가격이 낮은 망간이며, 니켈·망간 등 전이금속과 소재 내부 산소를 에너지 저장에 활용하는 특징이 있다. 이를 바탕으로 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다.

다만 LMR의 상용화 과제로는 충·방전 중 가스 문제 해결이 꼽혀 왔다. 충전 중 산화된 산소가 방전 때 충분히 회복되지 않을 경우 배터리 내부 구조가 손상될 가능성이 있고, 산소 회복이 불충분하면 가스가 발생할 수 있다.

특히 전기차용 대형 셀은 내부 공간이 제한돼 대형 셀 내 가스 문제는 압력 상승과 성능 저하로 이어질 수 있다. 이 같은 가스 발생 문제는 LMR 배터리의 주요 기술 과제로 지목돼 왔으며, LG에너지솔루션은 이번 공동 연구를 통해 LMR 배터리의 대형 셀 적용 가능성을 높이는 성과를 확보했다고 밝혔다.

공동 연구팀은 산소 회복 문제를 다루기 위해 충·방전 조건별 산소 산화·환원 과정을 분석했다. 이 과정에서 산소 회복에 영향을 미치는 요인으로 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압도 확인했다.

충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소 환원율은 86%에서 97%로 높아졌다. 또 방전 하한 전압을 3.0V에서 2.0V로 낮추자 산소 대부분이 원상 회복됐다.

LG에너지솔루션은 이런 분석 결과를 바탕으로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화(Formation) 공정 조건을 재설계했다. 활성화 단계에서는 온도 저감 공정을 적용해 대형 셀 가스 발생을 억제했다.

이 같은 공정 최적화 결과 셀 수명이 개선됐다. 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회 충·방전 평가 후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지했다.

회사 측은 이번 연구가 실제 전기차 적용 가능 대형 셀에서 LMR 소재 수명 안정성·상용화 가능성 확인 결과라고 설명했다.

임종우 서울대 교수는 이번 연구가 산소 가역성 관점에서 LMR 배터리 열화 원인 규명에 나섰으며, 전기화학 프로토콜 설계만으로 셀 안정성 개선 가능성을 제시했다고 밝혔다. 또 LMR 배터리 장기 안정성 확보 위해 충전 조건뿐 아니라 방전 조건까지 종합 고려 필요 확인이라고 설명했다.

LG에너지솔루션은 이번 연구가 LMR 배터리 주요 과제였던 가스 발생 효과적 억제 성과를 냈고, 대형 셀에서도 안정적 배터리 수명 확보 가능성 제시와 차세대 LMR 배터리 시장 성장 가속의 중요 발판 마련 의미를 갖는다고 발표했다. 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 게재됐다.

출처: 테크월드뉴스 · 김승기 기자
원문: https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=406596

참고자료

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