밸류체인 문제에서 자유로운 마그네슘 기반 이차전지 상용화에 청신호가 켜졌다. 그동안 어려웠던 효율적인 충·방전을 가능케 하는 기술이 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 이민아 에너지저장연구센터 박사팀이 이차전지용 마그네슘 금속을 화학적 활성화하는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
기존 리튬이온전지 핵심 원자재인 리튬, 코발트 등 수급은 특정 국가 의존도가 절대적이어서 안정적인 공급망 확보 우려가 크다.
이에 매장량이 풍부하고, 에너지밀도가 높은 마그네슘 이차전지가 주목받는다. 다만 마그네슘 금속은 효율적인 충·방전이 어렵다는 결정적인 단점이 있다.
연구진은 마그네슘 금속 고효율 충·방전 반응 유도 기술을 개발, 이차전지 상용화거림돌을 제거했다. 부식성 전해질을 활용하는 기존 연구와 달리 기존과 유사한 일반 전해질을 활용해 전지 부품 부식 또한 최소화할 수 있게 됐다.
전지 조립 전에 음극으로 활용할 마그네슘 금속을 ‘반응성 알킬 할라이드’ 용액에 담그는 간단한 공정으로 인공 보호막을 합성했다. 여기에 특정 반응 용매를 선택하면 마그네슘 표면에 나노구조가 함께 형성돼 마그네슘 충·방전이 촉진되는 것을 확인했다.
원치 않는 전해질 반응을 억제하고, 나노구조화를 통해 반응 면적을 극대화하는 식으로 고효율 마그네슘 충·방전 유도에 성공했다.
부식성 첨가제가 없는 일반 전해질에서 마그네슘 금속 충·방전시 2볼트(V) 이상이던 과전압을 0.2V 미만으로 낮출 수 있다. 10% 미만이던 쿨롱 효율(전력 저장 시스템 효율성)을 99.5% 이상으로 끌어올릴 수 있었다. 990회 이상 안정적인 마그네슘 금속 충·방전도 구현했다.
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 기반 저비용, 고에너지밀도 마그네슘 이차전지 상용화 가능성을 높일 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 나노소재 분야 국제학술지 ‘ACS 나노’ 최신호에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
