비싼 리튬 대신 마그네슘으로 이차전지 개발

KIST 이민아 박사팀
충전 필요 전력 10분의1로 줄여
990회 이상 충방전 해도 안정적

이차전지 음극의 에너지 저장 용량이 같음에도 리튬(왼쪽)보다 마그네슘(가운데)의 크기가 더 작다. 오른쪽은 화학적 활성화 용액에 담겨있는 마그네슘 음극이다. KIST 제공

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 이민아 박사팀이 리튬 이온전지를 대체할 마그네슘 이차전지를 개발하는데 성공했다.

이 전지는 일반 이차전지에 쓰이는 전해질을 사용할 수 있으며, 지금까지 연구됐던 마그네슘 전지보다 충전할때 필요한 전기를 10분의 1 가량 줄 일 수 있다. 아울러 990회 이상 충방전을 거듭해도 안정적으로 작동했다.

이민아 박사는 4일 "값비싼 리튬을 전량 수입에 의존하고 있으나, 마그네슘은 국내 매장량이 많아 소재 단계부터 연구개발을 하고 있다"고 말했다. 마그네슘은 리튬보다 에너지저장 용량이 1.9배 높지만 지금까지 효율적인 충방전이 어려웠다. 연구진은 마그네슘 금속을 음극으로 사용해 고효율로 충방전 반응을 유도하는 기술을 개발했다.

이 기술을 적용해 테스트한 결과, 리튬이온전지에 들어가는 것과 유사한 전해질 'TFSI'를 사용해도 충방전때 과전압이 0.2V 미만으로 과전압을 10분의 1로 줄였다. 즉 충전할때 전기를 더 적게 사용할 수 있다는 의미다.

또 지금까지 연구됐던 마그네슘 전지의 쿨롱 효율이 10% 미만이던 반면 연구진의 전지는 99.5%까지 향상됐다. 이 박사는 "기존 마그네슘 전지가 충전을 해서 사용할 수 있는 에너지가 10% 미만이었다면 연구진이 개발한 전지는 99.5%까지 다 사용할 수 있다"고 설명했다.

이와 함께 내구성 테스트에서도 990회 이상 안정적으로 마그네슘 금속의 충·방전을 구현해 대량생산이 가능한 일반적 전해질에서도 마그네슘 이차전지가 안정적으로 작동했다.

지금까지 마그네슘 이차전지를 개발하기 위한 연구에서는 거대 음이온을 사용해 합성이 굉장히 까다롭거나 부식이 쉬운 염소 이온을 많이 넣어 전해질을 만들었다. 연구진은 전지의 음극에 쓸 마그네슘 금속을 특정 용액에 1시간 정도 담가 인공 보호막을 만들어냈다. 이 과정을 거치면서 음극 표면은 충방전 효율이 높아졌다.

이 박사는 "이번 연구결과는 에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 일반 전해질 기반의 저비용, 고에너지밀도 마그네슘 이차전지의 상용화 가능성을 높일 것"이라고 말했다. 한편, 연구진은 이번 연구결과를 나노 소재 분야 국제학술지 'ACS 나노(Nano)' 최신호에 발표했다.