결론. LG에너지솔루션은 2026년 9월 7일, 서울대학교 화학부 임종우 교수 연구진과의 공동 연구로 LMR(리튬망간리치, Lithium Manganese Rich) 배터리의 대형 셀 적용 가능성을 높이는 성과를 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재했다고 밝혔습니다. 핵심 수치는 세 가지입니다. 충전 상한 전압을 4.6V에서 4.3V로 낮추자 산화된 산소의 환원율이 86%에서 97%로 올랐고, 방전을 3.0V가 아닌 2.0V까지 진행했을 때 산소가 거의 원래 상태로 회복됐으며, 이 조건을 적용한 40Ah급 대형 셀은 883회 충·방전 후에도 초기 에너지의 92.2%를 유지했습니다. 전장 엔지니어 시점에서 이 발표는 소재 뉴스가 아니라 BMS(Battery Management System) 설정값 뉴스입니다. LMR 셀의 수명 인터락은 셀 전압 창(Voltage Window)의 상한과 하한, 두 개의 파라미터에 걸립니다. 결론은 “상한은 낮추고 하한은 더 낮게 여는 비대칭 전압 창”이며, NCM 기준으로 굳어진 BMS 하한값(통상 2.5~3.0V 대역)을 그대로 이식하면 오히려 불리해집니다.
BMS 설계에서 방전 하한은 “보호 항목”이지 “성능 항목”이 아니라고 배웁니다. LMR에서는 하한이 성능(산소 회복률)을 좌우합니다. 낮은 하한을 어쩔 수 없이 “허용”하는 것이 아니라 처음부터 “설계 조건”으로 잡아야 하는 셀입니다.
배경을 짚겠습니다. LMR은 코발트를 쓰지 않고 저렴한 망간을 주원료로 하는 차세대 양극 소재로, 니켈·망간 같은 전이금속뿐 아니라 소재 내부의 산소까지 에너지 저장에 활용해 높은 에너지 밀도를 냅니다. 문제는 충전 중 산화된 산소가 방전 과정에서 완전히 회복되지 않으면 내부 구조 손상과 가스 발생을 일으킨다는 점입니다. 내부 여유 공간이 제한적인 전기차용 대형 셀에서는 이 가스가 내부 압력 상승과 성능 저하로 직결되어 상용화의 최대 난제로 꼽혀 왔습니다. 이번 공동 연구는 산소 회복을 좌우하는 변수가 충전 상한뿐 아니라 방전 하한에도 있음을 밝히고, 그 결과를 토대로 40Ah급 셀의 구동 전압 범위와 활성화(Formation) 공정 조건을 재설계했습니다. 특히 활성화 단계에서 온도를 낮추는 공정으로 대형 셀 특유의 가스 발생을 억제했습니다.
현장에서 직관에 반하는 관찰이 하나 있습니다. 상한을 4.6V에서 4.3V로 낮추는 것은 가용 용량을 포기하는 결정이라 설계자가 본능적으로 꺼리고, 하한을 3.0V에서 2.0V로 낮추는 것은 과방전 보호 관점에서 더 꺼립니다. 그런데 이 셀은 두 방향 모두를 “더 보수적으로(상한)”와 “덜 보수적으로(하한)” 동시에 움직여야 883사이클 92.2%라는 수명이 나옵니다. 즉 BMS 파라미터 하나를 셀 화학에 맞춰 다시 정하는 일이 소재 개선과 같은 무게를 갖습니다. 임종우 교수의 표현대로 “전기화학 프로토콜 설계만으로도 셀의 안정성을 개선할 수 있다”는 것이며, 전장 쪽에서 보면 그 프로토콜의 실행 주체가 BMS입니다.
전제 조건(동작 타임차트 기준). 공개된 수치는 충전 상한(4.6V→4.3V), 방전 하한(3.0V→2.0V), 셀 용량(40Ah급), 사이클 결과(883회·92.2%), 활성화 공정의 저온 적용, 이 다섯 가지입니다. 평가 C-rate, 시험 온도, 셀 간 편차 조건, 양산 셀에 실제 적용할 전압 창, 팩 레벨에서의 밸런싱 방식은 발표에 없습니다. 이 글의 I/O 맵과 로직은 위 다섯 수치를 “설정값”으로만 옮긴 것이며, 시간·온도 조건은 확인 필요 항목으로 남깁니다.
활성화(Formation, 저온 공정) → 사이클 충전(CC/CV, 상한 4.3V 도달 시 CV 전환 후 종지) → 휴지 → 방전(하한 2.0V 도달 시 종지) → 휴지 → 반복(883회 기준). 각 구간의 전류·온도값은 미공개.
안전 인터락 확인 순서 (최우선)
- 하드웨어 보호 경로 독립 확인 — 과충전 보호(OVP) 회로, 컨택터 개방, 퓨즈 같은 하드웨어 보호 등급 장치는 BMS 소프트웨어 전압 창 파라미터와 무관하게 독립적으로 동작해야 합니다. 전압 창을 2.0~4.3V로 바꾸는 작업은 소프트웨어 파라미터 변경이며, 하드웨어 보호 설정을 소프트웨어로 우회하거나 완화하는 서술은 이 글에서 다루지 않습니다.
- 보호 등급 상한과 운용 등급 상한 분리 — 운용(진단) 등급 충전 상한 4.3V와, 그 위에 위치하는 보호 등급 하드 컷 상한은 별도의 설정값·별도의 출력 접점으로 관리합니다. 보호 등급 상한의 실제 값은 셀 제조사 사양 확인이 필요합니다.
- 하한 2.0V 적용 전 셀 편차 인터락 — 팩에서 하한을 2.0V로 낮추면 편차가 큰 셀은 그보다 더 낮게 갈 수 있습니다. 최저 셀 전압과 셀 간 편차(ΔV)를 별도 조건으로 걸어, 편차 조건 미충족 시 방전 하한을 보수값으로 자동 복귀시킵니다.
- EMO(비상정지) 하드웨어 경로 유지 — 어떤 전압 창 설정에서도 EMO 회로는 BMS 로직을 거치지 않고 컨택터를 개방해야 합니다.
LMR 셀 전압 창 관리 I/O 맵 (예시)
| 신호명 | I/O 어드레스 | 타입 | 동작 조건 |
|---|---|---|---|
| 셀 전압(최고) | AI_CELL_V_MAX | Analog In (V) | ≥ 4.30V 시 CV 전환, 충전 종지 |
| 셀 전압(최저) | AI_CELL_V_MIN | Analog In (V) | ≤ 2.00V 시 방전 종지 |
| 셀 간 편차 | AI_CELL_DV | Analog In (mV) | 편차 한계 초과 시 방전 하한을 보수값으로 복귀 |
| 팩 전류 | AI_PACK_I | Analog In (A) | CV 구간 종지 전류 판정 |
| 셀 온도 | AI_CELL_T | Analog In (°C) | 온도 조건 미공개 — 확인 필요 |
| 충전 허용 | DO_CHG_ENABLE | Digital Out | 운용 등급 — 4.30V 미만이고 편차 정상일 때 ON |
| 방전 허용 | DO_DCHG_ENABLE | Digital Out | 운용 등급 — 2.00V 초과이고 편차 정상일 때 ON |
| 하드웨어 OVP 상태 | DI_HW_OVP | Digital In | 보호 등급 — 소프트웨어와 무관하게 컨택터 개방 |
| 컨택터 개방 | DO_CONTACTOR_OPEN | Digital Out | 보호 등급 전용, EMO와 하드와이어 병렬 |
이 I/O 맵의 시사점은 한 줄입니다. 883사이클 92.2%를 만든 것은 AI_CELL_V_MAX·AI_CELL_V_MIN 두 아날로그 입력의 임계값이지 새로운 하드웨어가 아니며, 그 임계값은 DO_CHG_ENABLE·DO_DCHG_ENABLE(운용 등급)에만 걸리고 DI_HW_OVP·DO_CONTACTOR_OPEN(보호 등급)은 손대지 않습니다.
PLC 로직 스니펫 (IEC 61131-3 Structured Text 의사코드)
(* LMR 셀 전압 창 관리 로직 - 운용 등급 전용, 보호 등급(DI_HW_OVP)과 완전 분리 *)
(* 주의: 본 로직은 특정 제품의 실제 BMS 펌웨어가 아니라 공개 수치(4.3V/2.0V)를 설정값으로 옮긴 개념 예시 *)
VAR CONSTANT
V_CHG_MAX_LMR : REAL := 4.30; (* 충전 상한, 발표 수치: 4.6V -> 4.3V *)
V_DCHG_MIN_LMR : REAL := 2.00; (* 방전 하한, 발표 수치: 3.0V -> 2.0V *)
V_DCHG_MIN_SAFE : REAL := 3.00; (* 편차 이상 시 복귀할 보수 하한 *)
DV_LIMIT_MV : REAL := 50.0; (* 셀 간 편차 한계 - 예시값, 실측 후 확정 *)
END_VAR
VAR
AI_CELL_V_MAX, AI_CELL_V_MIN, AI_CELL_DV, AI_PACK_I : REAL;
DI_HW_OVP : BOOL; (* 하드웨어 과충전 보호 상태, 소프트웨어가 변경 불가 *)
DO_CHG_ENABLE, DO_DCHG_ENABLE : BOOL;
V_DCHG_MIN_ACT : REAL;
END_VAR
(* 편차 인터락: 편차 정상일 때만 2.0V 하한 적용, 아니면 보수 하한으로 복귀 *)
IF AI_CELL_DV <= DV_LIMIT_MV THEN
V_DCHG_MIN_ACT := V_DCHG_MIN_LMR;
ELSE
V_DCHG_MIN_ACT := V_DCHG_MIN_SAFE;
END_IF;
(* 운용 등급 출력 - 보호 등급 DI_HW_OVP가 TRUE이면 어떤 경우에도 충전 불가 *)
DO_CHG_ENABLE := (AI_CELL_V_MAX < V_CHG_MAX_LMR) AND (AI_CELL_DV <= DV_LIMIT_MV) AND NOT DI_HW_OVP;
DO_DCHG_ENABLE := (AI_CELL_V_MIN > V_DCHG_MIN_ACT);
(* 보호 등급(컨택터 개방, EMO)은 본 로직 외부의 하드와이어 회로가 담당 - 여기서 재정의하지 않음 *)경계 조건 — 현장 변수 대응
이 설계 원칙의 유리함이 뒤집히는 지점은 셀 편차와 온도입니다. 단일 40Ah 셀에서 검증된 2.0V 하한을 수십~수백 직렬 팩에 그대로 적용하면, 편차가 큰 셀이 먼저 하한 아래로 내려가면서 일반적으로 알려진 과방전 리스크(집전체 손상 등)에 노출될 수 있습니다. LMR 셀에서 이 리스크가 실제로 어느 전압·온도에서 시작되는지는 발표에 없으므로, 편차 한계(DV_LIMIT_MV)와 저온 조건의 하한은 셀 단위 실측과 방전 말단 파형 분석 후에 확정해야 합니다. 상한 4.3V 역시 CV 구간 종지 전류와 온도에 따라 산소 환원율 97%가 유지되는지 실측 요망입니다. 또한 발표된 결과는 특정 활성화 공정(저온)을 거친 셀 기준이므로, 공정 조건이 다른 셀에 같은 전압 창을 적용해도 같은 수명이 나온다고 가정할 수 없습니다. 단일 선택 기준은 하나입니다 — 셀 제조사가 제시하는 전압 창을 BMS 운용 등급 파라미터로 옮기되, 방전 하한은 셀 간 편차 인터락이 정상일 때만 2.0V를 허용하고 그 외에는 보수값으로 자동 복귀하도록 설계합니다.
참고자료
- 전기신문, “LG에너지솔루션, 차세대 LMR 배터리 상용화 나선다” (2026-09-07 12:15, 정재원 기자) — 서울대 임종우 교수 공동연구, 네이처 커뮤니케이션즈 게재, 4.6V→4.3V 산소 환원율 86%→97%, 방전 2.0V, 40Ah급 883회 92.2%.
- 특허 US12261263B2 “Lithium secondary battery” (LG Energy Solution Ltd., 우선일 2022-07-20 KR1020220089894A, 등록 2025-03-25, 법적상태 Active, 만료 예정 2042-07-21). 청구항 1은 과리튬화 망간계 산화물(LiaNibCocMndMeO2, 1<a, 0.5≤d<1.0) 양극 활물질과 실리콘계 음극 활물질의 조합을 청구하며, 이번 발표의 충전 상한·방전 하한 전압 프로토콜 자체는 이 특허의 청구범위가 아니라는 점을 명시합니다(Google Patents 직접 조회).