LG에너지솔루션과 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구팀이 차세대 전기차 배터리로 주목받는 리튬·망간·리치(LMR, Lithium-Manganese-Rich) 배터리의 상용화 걸림돌이었던 가스 발생 및 수명 저하 문제를 해결할 수 있는 핵심 제어 기술을 확보했다고 발표했다.
LMR 양극재는 고가의 코발트 사용을 줄이고 저렴한 망간 비중을 높여 원가 경쟁력을 극대화할 수 있는 소재다. 양극재 내부의 전이금속뿐만 아니라 산소의 산화·환원 반응까지 저장 메커니즘으로 활용해 높은 에너지 밀도를 구현한다.
그러나 충전 과정에서 산화되었던 산소가 방전 시 원래의 고체 상태로 완전히 돌아가지 못하고 기체 형태로 생성되면서, 여유 공간이 부족한 전기차용 대형 셀 내부의 압력을 높이고 구조적 손상을 유발하는 난제가 존재해 왔다.
공동 연구팀은 충·방전 전압 제어를 통해 산소의 가역성을 대폭 개선했다. 연구 결과, 상한 충전 전압을 기존 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화 산소의 환원율이 86%에서 97%로 급증했다. 여기에 방전 하한 전압을 3.0V에서 2.0V로 넓히는 전기화학적 프로토콜을 적용함으로써 산소가 거의 완벽하게 원래의 고체 상태로 회복되는 현상을 규명했다.
연구진은 이러한 전압 제어 범위 재설계와 저온 활성화 공정을 40Ah급 전기차용 대형 LMR 셀에 적용해 실증에 성공했다고 밝혔다. 최적화된 40Ah급 대형 셀은 883회의 충·방전 사이클을 거친 후에도 초기 용량의 92.2%를 유지하는 높은 수명 안정성을 보였다.
이번 연구는 LMR 소재의 한계를 화학적 조성 변경이 아닌 전기화학적 운용 프로토콜 및 공정 최적화만으로 극복할 수 있음을 입증한 성과로 평가받는다. 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재된 이 기술을 바탕으로 LG에너지솔루션은 전기차용 대형 LMR 배터리 상용화 개발에 한층 속도를 낼 전망이다.
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