 배터리의 가스 발생 문제를 줄이고 대형 셀의 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다. LG에너...'))
LG에너지솔루션과 서울대학교 연구진이 차세대 리튬망간리치(LMR) 배터리의 가스 발생 문제를 줄이고 대형 셀의 안정성을 높일 수 있는 기술을 개발했다.
LG에너지솔루션은 7일 서울대 화학부 임종우 교수 연구진과 공동 연구를 통해 LMR 배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 가스와 용량 저하의 원인을 규명하고, 전기차용 대형 셀에 적용할 수 있는 운용 조건을 확보했다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.
LMR은 코발트 대신 상대적으로 저렴한 망간을 주원료로 사용하는 차세대 양극 소재다. 니켈과 망간 등 전이금속뿐 아니라 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
다만 충전 과정에서 산화된 산소가 방전 과정에서 충분히 환원되지 않을 경우 소재 내부 구조가 손상되고 가스가 발생할 수 있다. 특히 내부 여유 공간이 제한적인 전기차용 대형 셀에서는 가스 발생에 따른 내부 압력 상승과 성능 저하로 이어질 수 있어 상용화의 주요 과제로 꼽힌다.
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공동 연구진은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 거동을 분석해 산소의 가역성을 결정하는 주요 요인이 충전 상한 전압뿐 아니라 방전 하한 전압에도 있다는 점을 발견했다.
실험 결과 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 높아졌다. 또 방전 하한 전압을 기존 3.0V에서 2.0V까지 낮춰 방전했을 때 산소가 대부분 원래 상태로 회복되는 현상을 확인했다.
LG에너지솔루션 연구진은 이를 바탕으로 40Ah급 LMR 대형 셀의 구동 전압 범위와 활성화(Formation) 공정 조건을 재설계했다. 활성화 과정에서는 온도를 낮추는 공정을 적용해 대형 셀에서 발생하는 가스를 줄였다.
최적화된 조건을 적용한 40Ah급 LMR 대형 셀은 883회의 충·방전 평가 후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지했다. 소형 셀 수준의 평가를 넘어 전기차 적용을 고려한 대형 셀에서 LMR 소재의 수명 및 안정성을 확인했다는 점에서 의미가 있다는 게 회사 측 설명이다.
임종우 서울대 교수는 "이번 연구는 LMR 배터리의 열화 원인을 산소의 가역성 관점에서 규명하고, 전기화학 프로토콜 설계를 통해 셀 안정성을 개선할 수 있음을 보여준 결과"라며 "충전 조건뿐 아니라 방전 조건까지 종합적으로 고려해야 LMR 배터리의 장기 안정성을 확보할 수 있다는 점을 확인했다"고 말했다.
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