마그네슘 금속 화학 활성화 프로세스로 충전/방전 효율 향상 KIST 연구진은 화학 활성화 과정을 통해 고효율 충방전이 가능한 마그네슘 양극을 살펴보고 있습니다.[KIST 제공]
이민아 박사 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 연구팀은 부식성 첨가제가 없는 일반 전해질에서 마그네슘 전지의 고효율 작동이 가능한 마그네슘 금속 화학 활성화 기술을 개발했다고 밝혔습니다. 전기차와 ESS 시장의 급성장으로 리튬이온 배터리 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며, 핵심 원료인 리튬과 코발트의 수급이 특정 국가에 절대적으로 의존하고 있어 안정적인 공급망 확보가 우려되고 있습니다.
이러한 이유로 차세대 이차전지 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 중에서도 지각에 풍부한 마그네슘을 사용한 이차전지도 주목받고 있습니다. 마그네슘 이차전지는 알칼리 금속 이온과 달리 2가 이온인 Mg2+를 사용하기 때문에 높은 에너지 밀도를 기대할 수 있습니다.
특히 리튬 금속보다 용량이 1.9배 높은 마그네슘 금속을 음극으로 직접 사용할 때 가장 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있습니다. 이러한 강점에도 불구하고 전해액 반응성 때문에 마그네슘 금속의 효율적인 충방전이 불가능한 것이 중요하며, KIST 연구진은 마그네슘 금속의 고효율 충방전 반응과 마그네슘 이차전지의 상용화에 대한 기대를 유도하는 기술을 개발하였습니다.
특히 마그네슘의 충방전을 촉진하기 위해 부식성 전해액을 사용하는 종래의 연구들과 달리, 기존의 상용 전해액과 유사한 성분을 갖는 일반적인 전해액을 사용하여 고전압 전극을 활용하고 전지 부품 부식을 최소화할 수 있습니다.
리튬 금속 음극(왼쪽), 용량은 같지만 크기는 작은 마그네슘 음극(가운데), 화학적으로 활성화된 용액 속 마그네슘 음극(오른쪽).[KIST 제공]
연구팀은 셀 조립 전 양극으로 사용할 마그네슘 금속을 반응성 알킬할라이드 용액에 담그는 간단한 공정을 통해 마그네슘 표면에 마그네슘 알킬할라이드 올리고머 기반의 새로운 조성을 가진 인공보호막을 합성했습니다. 또한, 특정 반응 용매를 선택하면 마그네슘 표면에 나노구조체가 함께 형성되어 마그네슘 충방전이 촉진됨을 확인할 수 있었습니다.
이를 바탕으로 나노구조를 통해 전해질과의 원치 않는 반응을 억제하고 반응면적을 극대화해 고효율 마그네슘 충방전을 유도하는 데 성공했습니다. 개발된 기술을 이용하여 부식성 첨가제를 사용하지 않고 일반 전해액에서 마그네슘 금속을 충방전할 때 2V 이상이었던 과전압을 0.2V 미만으로 낮출 수 있고 쿨롱 효율 방전은 10% 미만으로 낮출 수 있었습니다.
그것은 무엇인가를 99.5% 이상으로 끌어올릴 수 있었습니다. 연구팀은 마그네슘 금속의 안정적인 충방전을 990회 이상 구현해 대량 생산이 가능한 일반 전해질에서도 마그네슘 이차전지가 안정적으로 작동하는 것을 확인했습니다.
이민아 박사는 "이번 연구는 마그네슘 금속 표면의 계면층 형성을 막는 부식성 전해액을 사용한 기존 마그네슘 이차전지에 대한 새로운 연구 방향을 제시한 것입니다."이라며 "에너지 저장시스템에 적합한 일반 전해질 기반의 저비용, 고에너지밀도 마그네슘 이차전지의 상용화 가능성 높일 것 입니다." 라고 밝혔습니다. 이번 연구 결과는 나노소재 분야 국제학술지 'ACS Nano' 최신호에 게재됐습니다.