LFP·NCM 넘어선 차세대 이차전지
전기차 적용 가능성 연구성과 달성
中에 밀린 K배터리 반격 카드 평가

LG에너지솔루션이 ‘꿈의 배터리’로 불리는 ‘리튬망간리치(LMR)’ 배터리의 상용화에 나선다. LMR배터리는 현재 가장 많이 쓰이는 리튬인산철(LFP)과 삼원계(NCM) 배터리의 단점을 상당수 극복한 차세대 이차전지다. 상용화하면 한국(K) 배터리 산업의 경쟁력에 기여할 것으로 기대된다.

LG에너지솔루션은 7일 서울대 임종우 교수 연구진과의 공동 연구를 통해 LMR 배터리의 전기차용 대형 셀 적용 가능성을 높이는 연구 성과를 달성했다고 밝혔다. LMR은 고가의 소재인 코발트를 사용하지 않고 저렴한 망간을 주원료로 활용하는 배터리다. 코발트를 뺀 덕에 원재료 비용이 현재 배터리 대비 월등히 낮다. 생산 가격은 저렴하지만, 성능은 더 좋다. 소재 내부에 존재하는 산소까지 에너지 저장에 활용할 수 있어 높은 에너지 밀도를 자랑한다. LFP 배터리의 낮은 에너지 밀도, NCM 배터리의 고비용 문제를 동시에 해결할 수 있다.

LMR배터리는 뛰어난 성능에도 불구하고 가스가 발생하는 발생 문제 탓에 상용화에 어려움을 겪었다. LMR 배터리는 소재 내부에 산소를 포함하고 있다. 충전 중 산화된 산소가 방전(소비) 과정에서 완벽히 회복되지 않을 경우 배터리 내부 구조가 손상되고 가스가 발생한다. 가스를 밖으로 빼낼 수 있다면 괜찮지만, 내부 여유 공간이 제한적인 전기자동차에서는 그러기가 쉽지 않다. 대형 배터리 안에 갇힌 가스는 내부 압력 상승으로 인한 제품 손상과 성능 저하를 유발한다.

공동 연구팀은 LMR 배터리 충·방전 과정에서 발생하는 가스 발생과 용량 저하의 원인을 규명하고, 이를 제어할 수 있는 대형 셀 최적 운용 조건을 개발했다. 공동연구팀은 충·방전 조건에 따른 산소의 산화·환원 거동을 정밀 분석했고, 산소 회복을 좌우하는 핵심 변수로 전압이 있다는 점을 밝혀냈다. 실제로 충전 상한 전압을 4.6V(볼트)에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율(복구되는 비율)이 86%에서 97%로 크게 향상됐다. 또한 방전을 기존 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행했을 때 산소가 거의 원래 상태로 회복되는 현상을 확인했다. LG에너지솔루션은 이 같은 분석 결과를 토대로 40Ah(암페어시)급 LMR 대형 배터리의 구동 전압 범위와 활성화공정 조건을 재설계했다. 그 결과 최적화된 조건이 적용된 제품은 883회의 충·방전 평가 이후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지하며 높은 안정성을 기록했다.

LG에너지솔루션이 LMR 배터리 상용화의 길을 열면서 중국 배터리업계에 속수무책으로 밀리던 K배터리가 나름의 반격 카드 마련에 성공했단 평가가 나온다. 지난해부터 CATL과 BYD를 포함한 중국 배터리 기업은 소듐(나트륨)이온 배터리, 전고체 배터리 등 신기술의 상용화를 선언하며 국내 배터리 업체를 강하게 압박해 왔다. 신기술을 쏟아내는 중국 업체와 달리 국내 업체는 이렇다 할 제품을 내놓지 못하면서 시장에선 국내 배터리가 생산량은 물론, 기술 경쟁에서도 밀렸다는 분석이 쏟아졌다. 업계 관계자는 “이번 LMR 기술 개발로 한국 업체의 기술 경쟁력이 살아있음을 증명할 수 있게 됐다”고 말했다.

반진욱 기자 [e-mail]