리튬·망간이 풍부한 LG에너지솔루션 ‘LMR 배터리’ 연구 스토리

리튬과 망간의 함량을 높인 ‘LMR(Lithium Manganese Rich)’ 배터리는 고가의 코발트 사용량을 줄이면서도 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 차세대 배터리로 주목받고 있습니다. LMR 배터리는 오래전부터 연구되어왔지만, 전기차 시장이 승용차 외 상용차 등 다양한 차종으로 확대되면서 더욱 주목받고 있는데요. 이는 LMR 양극재가 주행 성능과 가격 경쟁력을 함께 확보할 수 있는 배터리 소재이기 때문입니다.

LG에너지솔루션은 이러한 시장의 요구가 본격화되기 전부터 LMR 배터리 연구를 이어왔으며, 최근 LMR 양극재와 실리콘계 음극재를 결합한 ‘LMR Cell Chemistry’를 개발했습니다. 이번 시간에는 Cell선행개발그룹 박병천 양극재기술담당님을 만나 LMR 배터리에 대해 자세히 들어보았습니다.

LMR 배터리란 무엇인가요?

LMR은 ‘Lithium Manganese Rich’의 약자로, 리튬(Li)과 망간(망가니즈, Mn)을 풍부하게 함유한 양극재를 의미합니다. NCM*, NCA*와 같은 기존 삼원계 양극재처럼, 리튬이 자리한 ‘리튬층’과 망간·니켈 등이 자리한 ‘전이금속층’이 번갈아 쌓인 층상 구조*를 이룹니다.

LMR이 기존 층상구조 양극재와 다른 점은 전이금속층 일부에 리튬이 자리한다는 것입니다. 일반적인 양극재에서는 리튬과 전이금속이 각각의 층에 주로 배열되지만, LMR 양극재는 망간이나 니켈이 자리할 전이금속층 일부를 리튬이 차지합니다. 이로 인해 일반적인 NCM 계열 양극재보다 더 많은 리튬을 포함하는 구조를 갖게 됩니다.

*(인포그래픽#9) 양극재NCM 보러가기
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에너지 밀도와 가격을 동시에 잡는 LMR 배터리 장점

LMR 배터리는 높은 에너지 밀도와 가격 경쟁력을 동시에 확보할 수 있는 차세대 양극재로 주목받고 있습니다.

① 높은 에너지 밀도

LMR 양극재는 NCM, NCA보다 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다. 리튬층뿐 아니라 전이금속층 일부에도 리튬이 있어 기존 양극재보다 리튬을 1mol 이상 포함하고 있는데요. 쉽게 말해 NCM·NCA가 전이금속과 리튬을 약 1대 1 비율로 포함한다면, LMR은 전이금속 1개당 리튬을 약 1.2~1.6개까지 담을 수 있는 구조입니다.

② 가격 경쟁력
LMR 양극재는 고가의 니켈과 코발트 사용량을 줄이고, 상대적으로 가격이 낮고 매장량이 풍부한 망간의 비중을 높일 수 있습니다. 망간은 LMR 양극재내 전이금속 조성의 약 60~70%를 차지하며, 이를 통해 소재 비용을 LFP와 유사한 수준으로 낮출 수 있습니다. 즉, LMR 양극재는 높은 에너지 성능과 가격 경쟁력을 함께 확보할 수 있는 소재입니다.

또한 공급망 측면에서도 장점이 있습니다. LMR 양극재는 코발트 함량이 매우 낮아 특정 지역에 편중된 코발트 공급망에 대한 의존도를 낮출 수 있습니다. 이를 통해 원재료 조달의 안정성을 높이는 데에도 기여할 수 있습니다.

LMR 양극재와 실리콘 음극재를 결합한 LG에너지솔루션 LMR 배터리

LMR 양극재는 높은 에너지 밀도와 가격 경쟁력을 함께 갖출 잠재력이 있습니다. 이를 실제 배터리 성능으로 구현하기 위해서는 풍부한 리튬을 효과적으로 활용하면서도 구조적 안정성과 수명을 확보할 수 있는 셀 설계가 필요합니다.

LG에너지솔루션은 LMR 양극재와 실리콘계 음극재를 결합하고, 고전압 활성화 공정을 거치고 이후 구동 전압을 다르게 설정한 ‘LMR Cell Chemistry’를 개발했습니다. 이를 통해 두 소재의 특성을 상호 보완적으로 활용해 높은 용량과 급속 충전 성능, 수명 특성을 확보했으며, 관련 내용을 2022년 7월 특허로 출원하였습니다.

LG에너지솔루션 박병천 님을 통해 LMR 배터리에 대해 자세히 들어보았습니다.

Q. 최근 LMR 배터리가 주목받는 이유는 무엇인가요?

최신 분석 기술을 통해 기존에 파악하기 어려웠던 부분들을 이해할 수 있게 되었기 때문입니다. 사실 학계에서는 LMR 양극재를 오래 전부터 주목해 왔습니다. 기존 양극재보다 많은 리튬을 포함하고 있어 높은 용량을 구현할 수 있는 데다, 상대적으로 가격이 저렴한 망간을 주원료로 사용해 가격 경쟁력까지 확보할 수 있을 것으로 기대됐기 때문입니다.

다만 LMR 양극재에 들어 있는 많은 리튬을 실제로 활용하려면 넘어야 할 과제가 있습니다. 배터리를 충전할 때는 양극에서 리튬이 빠져나가는 동시에, 전이금속이 전자를 내놓는 산화 반응이 일어나야 합니다. 하지만 LMR 양극재는 리튬의 양에 비해 반응에 참여할 수 있는 전이금속이 부족하고, 주성분인 망간도 이미 산화가 많이 진행된 상태여서 전이금속의 반응만으로는 충분한 양의 리튬을 활용하기 어렵습니다.

그래서 초기 충전 단계에서 높은 전압을 가해 전이금속뿐 아니라 산소까지 산화·환원 반응에 참여시킵니다. 전이금속만으로는 꺼내 쓰기 어려웠던 리튬을 추가로 활용해, LMR 양극재의 높은 용량을 구현하기 위해서인데요. 이 과정에서 많은 리튬이 빠져나가면서 양극재의 결정구조가 변하거나 산소가 이탈할 수 있죠. 이러한 구조적 불안정성은 배터리의 수명과 내구성을 떨어뜨릴 수 있어, LMR 양극재를 실제 배터리에 적용하는 데 어려움이 있었습니다.

하지만 최근에는 분석 기술이 발전하면서 LMR 배터리 내부에서 일어나는 산소의 산화·환원 반응과 구조 변화, 성능 저하의 원인을 보다 정밀하게 파악할 수 있게 됐습니다. 이를 바탕으로 소재 조성과 전압 조건을 조절해 구조 변화를 제어하고, 높은 용량과 내구성을 함께 확보하려는 연구도 진전되고 있습니다. 여기에 전기차 시장 확대 요구가 맞물리면서, LMR은 차세대 배터리 소재로 다시 주목받고 있습니다.

Q. LMR은 기존 양극재와 비교했을 때 가장 큰 장점은 무엇인가요?

LMR 배터리의 가장 뚜렷한 장점으로 꼽는 것은 ‘가능성’입니다. LMR 배터리는 설계의 폭이 넓어, 소재 조성과 설계에 따라 에너지 밀도와 가격 경쟁력의 균형을 유동적으로 조절할 수 있기 때문입니다.

예를 들어 LFP 배터리는 가격 경쟁력이 높지만, 소재 특성상 에너지 밀도를 추가로 높이는 데 한계가 있습니다. 반면 NCM 배터리는 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있지만, 니켈과 코발트 같이 상대적으로 고가의 금속을 사용하죠.

시장에는 LFP보다 높은 에너지 밀도를 제공하면서도 NCM보다 가격 부담을 낮춘 배터리에 대한 수요가 존재합니다. 이처럼 기존 두 소재만으로는 충분히 대응하기 어려운 중간 영역을 일종의 ‘그레이존(Gray Zone, 회색 지대)’이라고 볼 수 있습니다.

바로 이 영역에서 LMR 배터리가 새로운 선택지가 될 수 있습니다. 대표적인 예가 상용 전기트럭입니다. 배터리 탑재 공간의 제약은 상대적으로 적지만, 긴 주행거리와 가격 경쟁력을 함께 요구하기 때문입니다.

LMR 배터리는 고객이 원하는 에너지 밀도와 가격 수준에 맞춰 소재 조성과 셀 설계를 달리할 수 있어, 기존 배터리로는 대응하기 어려웠던 다양한 요구를 충족할 수 있습니다. 하나의 고정된 성능을 제공하는 데 그치지 않고, 시장과 차종에 맞는 배터리 솔루션으로 구현할 수 있다는 점이 LMR 배터리의 가장 큰 강점입니다.

Q. LG에너지솔루션의 ‘LMR Cell Chemistry’는 어떤 기술인가요?

LG에너지솔루션의 ‘LMR Cell Chemistry’는 LMR 양극재와 실리콘계 음극재의 특성을 상호 보완적으로 활용한 셀 설계 기술입니다. 실리콘계 음극재는 흑연보다 많은 리튬을 저장할 수 있어 높은 용량과 급속 충전에 유리하지만, 초기 충전 과정에서 일부 리튬이 소모된 뒤 다시 활용되지 않는 비가역적 손실이 발생한다는 한계가 있습니다. 이로 인해 셀에서 실제로 활용할 수 있는 에너지가 줄어들 수 있습니다.

이에 연구팀은 LMR 양극재에 풍부하게 포함된 리튬을 활용해 실리콘계 음극재의 초기 비가역 손실을 보완했습니다. 특히 고전압 활성화 과정에서 확보되는 추가 용량을 활용함으로써 셀의 에너지 손실을 줄이고, 두 소재의 높은 용량을 효과적으로 구현할 수 있도록 설계했습니다.

또 다른 핵심은 LMR 양극재의 활성화 전압과 이후 구동 전압을 다르게 설정한 것입니다. LMR 양극재에 포함된 Li₂MnO₃상의 추가 용량을 활용하려면 초기 충전 단계에서 4.6V 이상의 높은 전압을 가해 산소의 산화·환원 반응을 활성화해야 합니다. 하지만 한 차례 고전압 활성화를 거친 뒤에는 약 4.3V부터 산소 반응이 시작돼, 상한 전압을 낮춰도 안정적으로 구동할 수 있습니다. 그 결과 높은 에너지 밀도를 구현하면서도 급속 충전과 수명 성능을 확보할 수 있었습니다.

17년간 이어져 온 연구가 LMR Cell Chemistry로 탄생하기까지

LG에너지솔루션의 LMR 배터리는 단숨에 개발을 마친 것이 아닙니다. 시장의 요구가 본격화되기 전인 2009년부터 LMR 양극재의 가능성에 주목해 선제적으로 연구를 시작했습니다. 연구 과정에서 LMR 양극재의 작동 원리와 구조 변화에 대한 이해를 꾸준히 축적했는데요. 더불어 실리콘계 음극재 연구를 통해 확보한 기술을 셀 설계에 접목했습니다. 이를 바탕으로 LMR 양극재의 높은 용량을 효과적으로 구현하는 ‘LMR Cell Chemistry’로 발전시켰죠.

Q. LG에너지솔루션의 LMR 배터리 개발 과정은 어떻게 되나요?

LMR 배터리 개발을 본격화한 뒤에는 양극재의 높은 용량을 실제 셀에서 안정적으로 구현하는 데 집중했습니다. 이 과정에서 그동안 축적한 LMR 양극재 소재 기술과 고전압 셀 설계 역량, 실리콘계 음극재를 다뤄 온 경험이 하나로 연결됐습니다. 특히 소재의 용량을 무리하게 모두 활용하기보다 안정적으로 작동하는 범위를 설정하는 접근을 LMR 양극재에 적용했습니다.

특히 연구 중 가장 어려웠던 점은 LMR 양극재의 초기 활성화 전압과 이후 구동 전압을 다르게 설정하는 일이었습니다. 당시 소재팀과 셀팀이 함께 여러 실험계획법(Design of Experiments, DoE)을 통해 양극재와 음극재 조합을 도출하며 성능을 구현했습니다. 이러한 연구는 ‘LMR Cell Chemistry’ 개발과 특허 출원으로 이어질 수 있었습니다.

Q. 이번 LMR 배터리 개발에 LG에너지솔루션의 노하우가 어떻게 활용됐나요?

‘LMR Cell Chemistry’는 한 사람의 아이디어나 단기간의 개발로 완성된 기술이 아닙니다. 양극재뿐 아니라 전해질, 음극재, 분리막 등 소재와 셀 설계, 공정 등 각 분야에서 오랫동안 쌓아온 기술이 유기적으로 결합된 결과입니다.

LG에너지솔루션은 약 17년에 걸쳐 LMR 배터리를 연구하는 동안, IT 기기와 전기차용 고전압 배터리를 꾸준히 개발하며 소재·셀·공정 전반의 기술을 축적해 왔습니다. 그중 활성화 전압과 실제 구동 전압을 다르게 설정하는 방식도 그 과정에서 나온 아이디어 중 하나입니다. 이는 10년 전 한 연구원이 제안해 특허로 남겨둔 것인데요. 당시에는 이 방식이 실제 배터리 셀에 어떤 효과를 가져올지 충분히 규명되지 않아 기술로 이어지지 못했습니다. 이후 관련 메커니즘에 대한 이해가 깊어지고 분석 및 셀 설계 역량이 강화되면서, 현재의 ‘LMR Cell Chemistry’를 구현하는 중요한 기반으로 활용할 수 있었습니다.

이처럼 오랜 연구를 통해 쌓은 노하우를 실제 배터리 기술로 발전시키는 힘이 LG에너지솔루션 R&D의 강점이라고 생각합니다. 기존 기술을 단순히 따라가는 데 그치지 않고, 남들이 시도하지 않은 소재와 셀 설계를 구현하는 것이 LG에너지솔루션이 추구하는 연구 방향입니다.

다양한 시장에 대응하는 LMR 배터리, LG에너지솔루션이 그리는 미래는?

LMR 배터리의 잠재력을 현실로 만들기 위해 셀 설계와 제조 공정, 연구개발 방식까지 혁신하고 있는 LG에너지솔루션. 더 높은 성능과 가격 경쟁력을 갖춘 LMR 배터리를 향해 기술 개발을 이어가고 있습니다.

Q. LG에너지솔루션의 LMR 배터리 개발 로드맵은 어떻게 되나요?

LG에너지솔루션의 1세대 LMR 배터리는 소형차부터 중형차까지, 가격과 성능의 균형을 중시하는 Standard 전기차 시장에서 NCM 계열을 보완하거나 대체하는 것을 목표로 개발했습니다. 2세대 LMR 배터리는 LFP 배터리가 주로 사용되는 시장까지 겨냥하고 있습니다.

LMR 양극재는 기존 NCM보다 리튬을 약 1.2배, 많게는 1.6배 이상 함유하고 있습니다. 기술 개발을 통해 리튬을 더 많이 활용할 수 있다면 LFP보다 가격 경쟁력이 높은 배터리를 구현할 가능성이 있습니다. 이러한 기술적 잠재력을 바탕으로 2세대 LMR은 LFP와 경쟁할 수 있는 배터리로 발전시키고 있습니다.

이처럼 LMR 배터리의 성능과 가격 경쟁력을 단계적으로 높이는 동시에, 이를 적용할 차종과 모빌리티 분야도 넓혀갈 계획입니다. 우선은 전기 픽업트럭이나 상용 전기트럭처럼 긴 주행거리와 가격 경쟁력을 함께 요구하는 분야가 유력한데요. 이후에는 저가형 승용 전기차까지 아우를 수 있도록 개발할 예정입니다. 장기적으로는 UAM(Urban Air Mobility, 도심항공교통)과 같은 미래 모빌리티로 확장하는 것도 중요한 방향으로 보고 있습니다. 다만 해당 분야는 요구 성능과 사용 환경이 다른 만큼, 최적화하여 기술을 고도화해 나갈 계획입니다.

Q. LMR 배터리의 경쟁력을 더욱 높이기 위해 해결해야 할 핵심 과제는 무엇인가요?

크게 두 가지로 나뉠 수 있는데, 먼저 향후 4.50V 이상의 고전압 구동 환경에서도 성능과 수명을 안정적으로 유지할 수 있는 셀 설계가 필요합니다. 고전압 구동에 따른 성능 저하를 최소화해, LMR 배터리의 에너지 잠재력을 실제 제품 성능으로 구현하는 것이 핵심입니다.

또한 LMR 양극재의 제조 단가를 낮출 수 있는 신공정 기술을 확보해야 합니다. 기존 양극재 제조에는 물을 사용하는 습식 공정이 포함돼 폐수 처리 비용이 발생하는데요. 물 사용과 폐수 발생을 줄이거나 없앨 수 있는 새로운 공정을 개발해 제조 비용을 낮춰야 합니다. 원재료 원가뿐 아니라 제조 과정에서 발생하는 비용까지 줄여야 LMR의 가격 경쟁력을 충분히 높일 수 있기 때문입니다.

이와 함께 전극 제조 단계에서는 건식 전극 공정(Dry Electrode Process)*과 LMR을 결합하는 연구도 진행하고 있습니다. 양극재 제조 공정의 비용 절감과 건식 전극 기술이 함께 구현되면, 장기적으로 제조 효율과 제품 경쟁력을 한층 높일 수 있을 것으로 보고 있습니다.

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Q. 마지막으로 한 말씀 부탁드립니다.

LG에너지솔루션은 오랜 기간 LMR 소재와 셀을 연구하며 관련 기술을 축적해 왔습니다. 이제 중요한 것은 연구 성과를 성능과 원가 경쟁력을 갖춘 실제 제품으로 신속하게 구현하는 것입니다. 이를 위해 소재개발에도 AX(AI Transformation) 적용을 준비하고 있습니다. 과거에는 연구원이 수많은 소재 조성과 공정 조건을 하나씩 실험해야 했지만, 이제는 AI가 유망한 소재를 선별하고 자동화된 실험 설비가 이를 검증합니다. 이를 통해 시행착오와 개발 기간을 줄이고, 그동안 쌓아온 연구 성과를 기술과 제품으로 연결하고 있습니다.

앞으로도 오랜 연구를 통해 쌓아온 지식을 차별화된 제품으로 완성하는 동시에, 남은 과제를 해결해 제품화 시점을 앞당기는 데 역량을 집중할 계획입니다.

핵심요약
● LMR(Lithium Manganese Rich)는 리튬과 망간 함량을 높이고, 전이금속층 일부에도 리튬이 자리하는 층상 구조 양극재입니다.
● 기존 NCM·NCA보다 많은 리튬을 활용할 수 있어 높은 에너지 밀도를 구현할 잠재력이 있고, 설계에 따라 소재 비용을 LFP와 유사한 수준으로 낮출 수도 있습니다.
● 고가의 니켈과 코발트 사용량을 줄이고 망간 비중을 높여 가격 경쟁력과 공급망 안정성을 확보할 수 있습니다.
● LG에너지솔루션은 LMR 양극재와 실리콘계 음극재를 결합하고 4.6V 이상의 고전압 활성화 이후 상한 전압을 낮추어 적정 구동 전압에서 작동하는 ‘LMR Cell Chemistry’를 개발했습니다.
● LG에너지솔루션 1세대 LMR 배터리는 Standard 전기차 시장의 NCM 계열을, 2세대 LMR 배터리는 LFP 시장을 겨냥하며 다양한 시장에 확장할 계획입니다.

지금까지 Cell 선행개발그룹 박병천 양극재기술담당님의 LMR 배터리 개발 스토리였습니다. 오랜 기간 축적한 LMR 소재 연구와 고전압 셀 설계 노하우를 연결해 ‘LMR Cell Chemistry’를 완성해 온 과정을 확인할 수 있었는데요. LG에너지솔루션은 앞으로도 셀 설계와 제조 공정, 연구개발 방식을 지속적으로 혁신하며 LMR 배터리의 성능과 가격 경쟁력을 높여갈 계획입니다. 다양한 전기차와 미래 모빌리티까지 확장될 LG에너지솔루션의 LMR 배터리를 지켜봐 주세요!