국내 연구진, 마그네슘이온전지 구현 가능한 음극 소재 '개발'

신규 Mg2Sn 음극으로부터의 전기화학적으로 가역적으로 Mg2+ 이온의 탈리 및 삽입반응이 가능함이 반쪽셀의 cyclic voltammetry (왼쪽 그림)와 50회의 정전류 충방전 사이클 테스트(오른쪽 그림)를 통해 구현됐다.

신규 Mg2Sn 음극과 Mg-free 양극인 V2O5, 전해질 0.5M Mg(TFSI)2/diglyme으로 구성된 완전셀 마그네슘이온전지 제작을 구현했다.(왼쪽), 또 상온에서 마그네슘이온전지를 작동시켜 초기 충방전 성능(오른쪽)을 구현했다.

송승완 충남대 교수

국내 연구진이 차세대 저장장치로 주목받는 마그네슘이온전지를 구현할 수 있는 음극 소재를 개발했다.

한국연구재단은 송승완 충남대 교수 연구팀이 자원 매장량이 풍부한 마그네슘을 기반으로 마그네슘이온전지를 구현할 수 있는 새로운 음극 소재를 개발했다고 10일 밝혔다. 이번 개발로 리튬이온전지에 의존해야 했던 기존 시장의 지각변동이 이뤄질 것으로 보인다.

현재 사용화되는 리튬이온전지는 리튬 가격이 비싸고, 전적으로 수입에 의존해야 했다. 또 짧은 수명과 폭발 위험 등의 단점이 내재됐다. 반면 마그네슘이온전지는 마그네슘을 구하기 쉽고, 리튬이온전지보다 상대적으로 안전하고 친환경적이다. 여기에 단위 부피당 에너지 밀도가 높아 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있다.

화려한 이면엔 단점도 존재했다. 마그네슘 금속을 음극으로 사용하는 마그네슘메탈전지는 리튬이차전지에서와 같이 염과 유기용메로 구성된 전해질을 사용하면 상온에서 작동이 어렵고, 특정 용매에서는 60~100℃의 고온에서만 사용할 수 있었다. 이는 전해질 성분이 마그네슘 금속 음극 표면에 두꺼운 부도체 표면층을 형성하고, 결국 전지의 작동을 중단시키기 때문이다.

이에 연구팀은 마그네슘 기반의 이차전지 구현을 위해 기존 마그네슘 금속 음극의 한계를 극복하고 대체할 수 있는 새로운 마그네슘-주석 합금 음극 소재를 개발, 고용량 충전·방전 성능을 획득했다. 마그네슘-주석 합금은 마그네슘 삽입·탈리 반응을 기반으로 하는 신개념 음극소재로, 전기화학적으로 쉽게 산화되는 종전의 마그네슘 메탈 음극과 달리 충전·방전 시 전해질 사이에서 안정성을 확보할 수 있다.

또 마그네슘-주석 음극은 여러 양극 소재와의 조합이 가능하기 때문에 다양한 마그네슘이온전지 제작이 가능하고, 음극을 제조할 대 전기전도도 용량과 출력 등을 조절할수 있어 전지의 성능향상도 가능하다.

송승완 교수는 "이 연구는 마그네슘-주석 음극 소재를 상온에서 작동하는 마그네슘이온전지에 적용한 최초의 사례"라며 "탈리튬 차세대 이차전지 분야의 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

한편, 이 연구 성과는 교육부·한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업의 지원으로 수행됐으며, 전기화학 분야 국제학술지인 저널 오브 파워 소스즈(Journal of Power Sources)에 지난달 15일자 논문으로 게재됐다.
방원기 기자 bang@