LG에너지솔루션이 서울대학교와의 공동 연구를 통해 차세대 고전압 망간 리치(LMR) 배터리의 안정성을 대폭 끌어올리는 핵심 기술을 개발했다. 전기차용 대형 셀에서 LMR 양극재 상용화를 가로막던 최대 난제인 충방전 시 가스 발생과 용량 퇴화 현상을 제어하는 최적의 운전 조건을 확보했다.

전압 구간 조절을 통한 산소 가역성 확보 및 가스 억제

LMR 양극재는 고가의 코발트를 사용하지 않고 저렴한 망간을 주원료로 활용해 재료비를 낮출 수 있는 차세대 양극 소재다. 니켈과 망간 등 전이금속뿐만 아니라 양극 소재 내부의 산소까지 반응시켜 높은 에너지 밀도를 구현하는 특징을 지닌다. 다만 충전 과정에서 산화된 산소가 방전 시 원상태로 복원되지 않을 경우 내부 구조가 손상되고 가스가 발생해 성능이 저하되는 한계가 존재했다.

공동 연구팀은 충방전 조건별 산소 산화환원 반응을 분석해 상한 충전 전압을 기존 4.6V에서 4.3V로 낮출 경우 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 상승함을 확인했다. 방전 하한 전압 역시 기존 3.0V에서 2.0V로 낮추면 산소가 거의 초기 상태로 복원되는 메커니즘을 입증했다.

40Ah 대형 셀 적용 및 883회 충방전 후 92.2% 성능 유지

연구팀은 도출된 메커니즘을 바탕으로 40Ah급 대형 LMR 셀의 작동 전압 영역과 화성 공정 조건을 새로 설계했다. 특히 저온 화성 공정을 적용해 대형 셀 내부의 가스 발생을 효율적으로 억제했다.

최적화 과정을 거친 40Ah 대형 LMR 셀은 883회의 충방전 사이클 평가 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지하며 탁월한 수명 안정성을 기록했다. 연구진은 전기화학적 프로토콜 설계만으로 배터리 안정성을 크게 개선할 수 있음을 확인했으며, 대형 셀에서도 가스 발생을 제어해 상용화의 발판을 마련했다.

글 / 원선웅 (글로벌오토뉴스 기자)​
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