KIST, 마그네슘 이차전지 상용화 걸림돌 제거

화학적 활성화 전 후 마그네슘 금속의 충·방전 반응 비교. (자료제공: KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀은 부식성 첨가제가 없고 대량생산이 가능한 일반 전해질에서 마그네슘 전지의 고효율 구동을 가능하게 하는 마그네슘 금속 화학적 활성화 기술을 개발했다고 밝혔다.

전기 자동차, 에너지 저장장치(ESS) 시장의 급격한 성장으로 인해 리튬이온전지의 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 가운데 핵심 원자재인 리튬, 코발트 등의 수급은 특정 국가에 대한 의존도가 절대적이어서 안정적인 공급망 확보에 대한 우려가 크다. 이러한 이유로 차세대 이차전지 소재의 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 그 가운데 지각에 풍부하게 매장된 마그네슘을 이용하는 이차전지도 주목받고 있다.

마그네슘을 활용한 이차전지는 리튬과 같은 알칼리 금속 이온과 달리 2가 이온인 Mg2+을 활용하기 때문에 높은 에너지 밀도를 기대할 수 있고, 특히 리튬 금속에 비해 약 1.9배 높은 용량을 가지는 마그네슘 금속을 직접 음극으로 활용할 경우 가장 높은 에너지밀도를 얻을 수 있다.

이러한 장점에도 불구하고 전해질과의 반응성으로 인해 마그네슘 금속의 효율적인 충·방전이 어렵다는 결정적인 단점이 상용화를 가로막고 있었는데, KIST 연구팀이 마그네슘 금속의 고효율 충·방전 반응 유도 기술을 개발해 마그네슘 이차전지의 상용화에 대한 기대감이 높아지고 있다. 특히 마그네슘의 충·방전을 촉진하기 위해 부식성 전해질을 활용하는 기존 연구와 달리 기존 상용 전해질과 유사한 성분의 일반적인 전해질을 활용함으로써 고전압 전극을 활용하고, 전지 부품의 부식 또한 최소화할 수 있게 되었다.

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

개발된 기술을 적용하면 부식성 첨가제가 없는 일반적인 전해질에서 마그네슘 금속을 충·방전할 때 2V 이상이던 과전압을 0.2V 미만으로 낮출 수 있으며, 10% 미만이던 쿨롱 효율을 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.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 운영되는 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행됐다. 연구결과는 나노 소재 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’ 최신 호에 게재됐다.