차세대 배터리로 주목받는 리튬·망간 리치(LMR) 소재의 최대 약점으로 꼽히던 내부 가스 분출 및 성능 저하 현상의 근본 원인이 국내 산학 공동 연구진에 의해 규명되었다.
LG에너지솔루션과 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구팀은 전기차 탑재용 대형 셀에서 발생하는 불안정성을 대폭 개선하는 전기화학 프로토콜 기술을 확보하는 데 성공했다.
LMR은 값비싼 코발트 배제를 바탕으로 저렴한 망간 비중을 높여 생산 단가를 대폭 낮출 수 있는 차세대 양극재다. 기존 전이금속 계열 외에 내부 산소까지 차례로 에너지 반응에 참여시키는 특성을 지녀 높은 에너지 저장 용량을 구현한다. 하지만 작동 과정에서 산화된 산소 기체가 완전하게 환원되지 못할 경우, 셀 내부 조직이 무너지면서 가스가 생성되는 고질적 문제가 뒤따랐다. 밀폐 구조로 이루어진 전기차용 대형 대용량 셀 내부에 압력이 쌓이면 곧바로 셀 붕괴와 성능 감소로 이어지므로, 이는 시장 진입의 걸림돌로 남아 있었다.
연구팀은 충전과 방전에 따른 산소 반응 거동을 다각도로 추적 분석하였다. 그 결과 산소 가역성 확보를 좌우하는 결정적 요인이 상한 전압 설정뿐만 아니라 하한 전압 제어에도 존재함을 확인했다. 실제로 충전 상한 기준을 기존 4.6V에서 4.3V 수준으로 하향 조정하자 산화 산소의 원래 상태 환원 비율이 기존 86%에서 97%로 급격히 상승했다. 여기에 더해 방전 하한 기준을 3.0V에서 2.0V 영역까지 확대하자 산소의 화학적 회복이 한층 원활하게 이루어지는 현상이 검증되었다.
이 같은 정밀 분석 데이터를 토대로 LG에너지솔루션은 40Ah급 LMR 대형 셀의 운용 전압 기준과 초기 활성화(Formation) 공정 조건을 전면 재구성했다. 특히 초기 활성화 과정에서 온도를 낮춰 관리하는 특수 공법을 적용해 대형 셀 고유의 기체 발생 현상을 효과적으로 제어하는 데 성공했다.
새로운 기법을 도입해 제작한 40Ah급 대형 셀은 총 883회에 달하는 가혹한 충·방전 반복 테스트를 수행했음에도 초기 출력 용량의 92.2%를 유지하는 우수한 내구성을 증명했다. 이는 소규모 실험실 단계를 넘어서 실제 운송 수단에 실장 가능한 대형 셀 단위에서 LMR 소재의 실용화 기반을 최초로 입증했다는 점에서 의미가 크다.
서울대 임종우 교수는 이번 연구가 LMR 배터리의 열화 메커니즘을 산소의 가역성 측면에서 명쾌히 밝혀냈을 뿐만 아니라, 별도의 소재 개량 없이 제어 프로토콜 설계 변경만으로 셀 안정성을 끌어올린 사례라고 평가했다. 아울러 충전 조건과 더불어 방전 영역까지 통합적으로 관리해야 차세대 배터리의 장기 안정성을 온전히 담보할 수 있다고 짚었다.
LMR 배터리의 상용화 장애물이었던 가스 발생 및 수명 저하 문제를 제어 프로토콜 개선만으로 극복해낸 이번 연구는 차세대 전기차 배터리 시장의 판도를 바꿀 중요한 전환점으로 평가된다. 국내 연구진이 제시한 차세대 배터리 안정성 확보 방안은 향후 글로벌 전기차 산업의 가격 경쟁력과 기술 주도권을 크게 강화할 전망이다.
이번 연구 성과는 그 독창성과 기술적 파급력을 인정받아 세계적 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 최신호에 수록되었다.
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