LG가 개발한 실험용 LMR 배터리는 883회 충방전 후에도 용량의 92%를 유지합니다.

• LG는 작동 전압과 제조 공정을 변경하여 LMR 배터리의 내구성을 향상시키는 방법을 발견했습니다.
• LMR 배터리는 니켈 함량이 높은 배터리보다 가격이 저렴하고 LFP 배터리보다 에너지 밀도가 높습니다.
• 결과는 고무적이지만, 충전 속도, 저온 성능 및 실제 수명은 아직 입증되지 않았습니다.

저렴한 전기차 배터리 라는 아이디어는 매우 매력적 이지만 , 배터리가 본래의 기능을 제대로 수행하지 못하게 되는 순간 문제가 발생합니다. 이는 리튬 망간(LMR) 배터리에서 오랫동안 주요 문제로 지적되어 왔는데, LMR 배터리는 저렴한 리튬 인산철(LFP) 배터리의 유망한 대안으로 떠오르고 있습니다. 비용과 에너지 밀도 측면에서 큰 가능성을 보여주지만, 수명에 대한 의문점은 여전히 ​​많이 남아 있습니다.

LG에너지솔루션과 서울대학교는 이 문제의 일부 해결책을 제시했습니다. 이들이 개발한 LMR 배터리 셀은 883회의 충방전 주기 후에도 초기 용량의 92.2%라는 놀라운 유지율을 보였습니다. 전기 자동차 배터리의 일반적인 수명은 1000~2000회 충방전 주기입니다.

서울대학교 임정우 교수는 연구 논문에서 “이번 연구는 산소 가역성 관점에서 LMR 배터리의 열화 원인을 규명하고, 전기화학적 프로토콜 설계만으로도 셀 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여주었다. LMR 배터리의 장기 안정성을 확보하기 위해서는 충전 조건뿐 아니라 방전 조건에 대한 종합적인 연구가 필요하다는 것을 확인했다”고 밝혔다.

LMR 배터리는 리튬 이온 배터리 계열의 또 다른 종류 로, 망간을 주성분으로 하는 양극재를 사용합니다. 이러한 화학 구조의 장점은 간단합니다. 망간은 니켈과 코발트보다 저렴하고 풍부하기 때문입니다. 망간을 다량 사용하면 고가의 부품 사용량을 줄일 수 있으면서도, 기존의 니켈-코발트-망간(NCM) 배터리와 동등한 성능을 내는 저렴한 배터리를 만들 수 있습니다.

최근 실험에서 LG는 음극 내부의 산소 반응을 더욱 효과적으로 제어하고자 했습니다. 산소는 LMR 배터리의 에너지 저장에 중요한 역할을 하지만, 방전 시에는 셀 내부에서 발생하는 산소 반응이 반드시 역전되어야 합니다. 그렇지 않으면 구조가 손상되고 밀폐된 배터리 셀 내부에 가스가 축적될 수 있는데, 이는 바람직하지 않습니다.

연구진은 이러한 반응을 더 효과적으로 제어하기 위해 작동 전압을 조정했습니다. 충전 차단 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산소 회수율이 86%에서 97%로 향상되었습니다. 방전 전압을 3V에서 2V까지 낮추는 것도 도움이 되었습니다. LG는 이러한 조정 사항에 저온 성형 공정(셀 제조 과정에서 거치는 초기 컨디셔닝 공정)을 결합했습니다. 이 개선된 공정은 가스 발생량과 구조적 손상을 줄이는 데에도 도움이 되었습니다.

LG는 "이번 연구는 LMR 배터리가 직면한 주요 과제 중 하나를 해결한다. 효과적인 가스 발생 억제를 통해 대규모 셀에서도 안정적인 배터리 수명을 확보할 수 있음을 보여줌으로써 차세대 LMR 배터리 시장 성장의 중요한 기반을 마련했다"고 설명했다.

일부 자동차 제조업체들은 이미 LMR 기술에 대규모 투자를 하고 있습니다. GM은 이 기술을 자사 전기차 생산 에 적용함으로써 상당한 비용 절감을 기대하고 있습니다 . 하지만 단순히 저렴한 부품만으로는 충분하지 않습니다. LMR 배터리는 용량 손실과 전압 강하라는 문제점을 안고 있는데, 이 두 가지 모두 배터리 출력 감소로 이어집니다.

GM은 LFP 배터리가 기존 LMR 배터리와 비슷한 비용으로 33% 더 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있을 것으로 예측했습니다. LMR 배터리의 잠재력은 GM이 향후 전기차 라인업에 LFP 배터리를 포함할지 여부를 재고하는 이유 중 하나입니다. GM과 LG는 앞서 2028년까지 미국에서 LMR 배터리를 생산할 계획을 발표한 바 있습니다.

LG의 이번 연구 결과는 고무적이지만, 충전 속도, 저온 성능, 수명 측면에서 LMR 배터리가 기존 LFP 배터리 보다 우수한 성능을 보이는지는 아직 입증되지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 이번 연구 성과는 분명 진전이며, LMR 배터리에 대한 관심을 지속적으로 불러일으키고 있습니다. 하지만 양산형 전기차에 탑재되기 전까지는 연구실에서 실제 차량으로 옮겨졌을 때 이러한 가능성이 얼마나 실현될지는 알 수 없을 것입니다.