LG엔솔·서울대, 값싼 ‘LMR 배터리’ 가스 난제 해결…전기차 대형 셀 상용화 발판
코발트를 쓰지 않아 값이 싸면서도 에너지를 많이 담는 차세대 배터리의 최대 난제였던 ‘가스 발생’ 문제를, 소재를 바꾸는 대신 충전과 방전 조건을 정밀하게 조절해 해결하는 기술이 나왔다.
LG에너지솔루션은 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구진과 공동 연구를 통해 차세대 LMR(리튬망간리치) 배터리를 전기차용 대형 셀에 적용할 가능성을 높이는 성과를 달성했다고 7일 밝혔다. 이 성과가 주목받는 배경에는 배터리 원가 경쟁이 있다. 현재 전기차 배터리에 널리 쓰이는 양극재(배터리 성능을 좌우하는 핵심 소재)는 값비싼 코발트와 니켈에 크게 의존한다. LMR은 코발트를 빼고 저렴한 망간을 주원료로 써 소재 비용을 크게 낮추면서도 에너지는 많이 담을 수 있어, 유력한 차세대 후보로 꼽혀 왔다. 하지만 충·방전 과정에서 내부 구조가 손상되고 가스가 발생하는 문제가 있었고, 특히 여유 공간이 좁은 전기차용 대형 셀에서는 이 가스가 내부 압력을 높여 상용화의 최대 걸림돌로 여겨졌다.
연구팀은 이 문제를 새로운 소재 합성이 아니라 배터리를 쓰는 ‘운용 조건’을 바꾸는 방식으로 풀었다는 점에서 의미가 있다. 이 연구는 세계적 권위의 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.
코발트 없이 산소까지 쓰는 배터리, 그 대가는 ‘가스’
배터리 원가의 상당 부분은 양극재가 차지한다. 그중에서도 코발트는 값이 비싸고 공급이 불안정한 금속으로, 배터리 업계는 오랫동안 코발트 의존도를 낮추는 방법을 찾아 왔다. LMR은 그 해법 중 하나다. 코발트 없이 저렴한 망간을 주원료로 삼아 소재 비용을 크게 줄일 수 있는 양극재다.
LMR의 또 다른 강점은 에너지를 많이 담는다는 점이다. 일반적인 배터리는 니켈·망간 같은 전이금속이 전자를 주고받으며 에너지를 저장하는데, LMR은 여기에 더해 소재 내부의 ‘산소’까지 에너지 저장에 활용한다. 저장에 참여하는 요소가 하나 더 늘어나는 셈이어서, 같은 무게로 더 많은 에너지를 담는 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다.
문제는 바로 이 산소가 양날의 검이라는 데 있다. 충전할 때 산소가 산화되는데, 방전 과정에서 이 산소가 원래 상태로 완벽히 되돌아오지 않으면 배터리 내부 구조가 손상되고 가스가 발생한다. 에너지를 더 담게 해주는 산소가, 동시에 배터리를 망가뜨리는 원인이 되는 것이다.
이 문제는 특히 대형 셀에서 치명적이다. 전기차용 대형 셀은 내부에 가스가 빠져나갈 여유 공간이 제한적이어서, 가스가 발생하면 내부 압력이 올라가고 성능이 떨어진다. 소형 셀에서는 어느 정도 감당되던 문제가 대형 셀에서는 상용화를 가로막는 결정적 장벽이 됐다. LMR이 오래전부터 유망 소재로 꼽히면서도 실제 전기차에 쓰이지 못한 이유가 여기에 있다.
전압 범위만 바꿔 가스 잡았다…40Ah 대형 셀서 입증
연구팀의 해법은 소재 자체를 바꾸는 대신 ‘어떻게 충전하고 방전하느냐’를 정밀하게 조절하는 것이었다. 이를 위해 충·방전 조건에 따라 산소가 산화·환원되는 과정을 세밀하게 분석했고, 산소가 원래 상태로 회복되는 정도를 좌우하는 핵심 변수를 찾아냈다. 그동안 주목받던 충전 상한 전압뿐 아니라, 방전 하한 전압도 중요한 변수라는 사실을 밝혀낸 것이 핵심이다.
분석 결과는 구체적인 수치로 확인됐다. 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화됐던 산소가 원래대로 돌아오는 비율이 86%에서 97%로 크게 높아졌다. 또 방전을 기존의 3.0V가 아니라 2.0V까지 더 깊이 진행했을 때 산소가 거의 완전히 원래 상태로 회복되는 현상을 확인했다. 충전과 방전의 전압 범위를 함께 조절하는 것이 산소 회복의 열쇠였던 셈이다.
LG에너지솔루션 연구진은 이 분석을 실제 대형 셀에 적용했다. 40Ah(암페어시)급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 ‘활성화(Formation) 공정’ 조건을 다시 설계한 것이다. 활성화 공정은 배터리를 처음 충·방전하며 성능을 안정화하는 초기 단계인데, 이 단계에서 온도를 낮추는 공정을 적용해 대형 셀 특유의 가스 발생을 효과적으로 억제했다.
그 결과 최적화된 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회의 충·방전을 거친 뒤에도 초기 에너지의 92.2%를 유지했다. 실험실 수준의 소형 셀이 아니라 실제 전기차에 탑재할 수 있는 대형 셀에서 안정적인 수명을 입증했다는 점에서 의미가 있다. 임종우 교수는 “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. 다만 이번 성과는 대형 셀에서의 상용화 가능성을 입증한 단계로, 실제 전기차 적용까지는 추가 검증이 이어져야 한다.
