리튬보다 에너지 밀도 높은 마그네슘 이차전지 상용화 걸림돌 넘었다

KIST, 마그네슘 전지 효율 높이는 마그네슘 금속 화학적 활성화 기술 개발

매장량이 풍부한 마그네슘을 음극재로 사용하는 마그네슘 전지의 상용화를 앞당길 기술이 개발됐다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 은 부식성 첨가제 없이 일반 전해질을 써도 마그네슘 전지의 구동 효율을 높일 수 있는 마그네슘 금속 화학적 활성화 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

KIST 이민아 박사 연구팀의 연구원들이 화학적 활성화 공정으로 고효율의 충-방전이 가능한 마그네슘 음극을 살펴보고 있다. (사진=KIST)

마그네슘은 몇몇 국가에 수급을 의존하는 리튬·코발트 등 기존 배터리 핵심 소재에 비해 값이 싸고 매장량이 풍부하다. 리튬 금속에 비해 약 1.9배 높은 용량을 가지는 마그네슘 금속을 직접 음극으로 활용할 경우 가장 높은 에너지밀도를 얻을 수 있다.

하지만 대량생산 가능한 일반 전해질은 마그네슘과 반응해 충방전 효율을 떨어뜨리는 문제가 있어 상용화가 더뎠다. 부식성이 높은 전해질을 개발해 이같은 문제를 해결하려는 연구가 이뤄졌으나, 값이 비싸고 고압 전극의 활용이 제한되는 등의 약점이 있었다. 

에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀은 마그네슘 금속의 고효율 충·방전 반응 유도 기술을 개발, 마그네슘 이차전지의 상용화에 대한 기대감이 높아지고 있다. 마그네슘 충·방전을 촉진하기 위해 부식성 전해질을 활용하는 기존 연구와 달리 상용 전해질과 유사한 성분의 일반적인 전해질을 활용, 고전압 전극을 활용하고 전지 부품의 부식도 최소화했다. 

연구팀은 전지 조립 전에 음극으로 활용할 마그네슘 금속을 반응성 알킬 할라이드(Reactive alkyl halide) 용액에 담그는 간단한 공정으로 마그네슘 표면에 마그네슘 알킬 할라이드 올리고머 기반의 새로운 조성을 가지는 인공 보호막을 합성했다. 여기에 특정 반응 용매를 선택하면 마그네슘 표면에 나노구조가 함께 형성되어 마그네슘 충·방전이 촉진되는 것을 확인했다. 

화학적 활성화 전 후 마그네슘 금속의 충방전 반응 비교 (자료=KIST)

이를 바탕으로 전해질과의 원치 않는 반응을 억제하고, 나노구조화를 통해 반응 면적을 극대화해 높은 효율의 마그네슘 충·방전 유도에 성공했다.

이 기술을 적용하면 부식성 첨가제가 없는 일반적인 전해질에서 마그네슘 금속을 충·방전 할 때 2V 이상이던 과전압을 0.2V 미만으로 낮출 수 있으다. 10% 미만이던 쿨롱 효율은 99.5% 이상으로 끌어올릴 수 있었다. 연구팀은 990회 이상 안정적인 마그네슘 금속의 충·방전을 구현해 대량생산이 가능한 일반적인 전해질에서도 마그네슘 이차전지가 안정적으로 구동됨을 확인했다.

이민아 박사는 "이번 연구성과는 마그네슘 금속 표면에 계면층 형성을 원천 차단하는 부식성 전해질을 사용하던 기존 마그네슘 이차전지 연구에 새로운 방향성을 제시한 것"이라며 "에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 일반 전해질 기반의 저비용, 고에너지밀도 마그네슘 이차전지의 상용화 가능성을 높일 것"이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 운영되는 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 학술지 'ACS 나노(ACS Nano) 최신 호에 게재됐다.