국내 연구팀, 마그네슘이온전지용 새로운 음극 소재 개발

[이뉴스투데이 강민수 기자] 국내 연구팀이 풍부한 자원매장량을 갖는 마그네슘 기반 마그네슘이온전지 구현을 위해 기존 마그네슘 메탈 음극 한계를 극복하고 대체할 수 있는 신규 음극소재인 Mg2Sn 첫 개발에 성공했다.

한국연구재단은 송승완 충남대학교 교수 연구팀이 자원 매장량이 풍부한 마그네슘을 기반으로 마그네슘이온전지를 구현할 수 있는 새로운 음극 소재를 개발했다고 10일 밝혔다.

현재 상용되는 리튬이온전지는 리튬 가격이 높고 전적으로 수입에 의존해야 하며 짧은 수명과 폭발 위험성 등 단점이 있었다.

반면, 마그네슘이온전지는 마그네슘을 구하기 쉽고 리튬이온전지보다 상대적으로 안전하며 친환경적이고 단위 부피당 에너지 밀도가 높으므로 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있다.

마그네슘이온전지는 리튬 대신 마그네슘 관련 소재를 사용하는 이차전지다. 마그네슘 가격은 리튬의 4%, 이론적 단위 부피당 에너지 밀도는 리튬이온전지 1.7배다. (마그네슘이차전지 3833mAh/cm3, 리튬이온전지 2205mAh/cm3)

하지만 마그네슘 금속을 음극으로 사용하는 마그네슘메탈전지는 리튬이차전지에서와 같이 염과 유기용매로 구성된 전해질을 사용하면 상온에서 작동이 어렵고, 특정 용매에서는 60~100도씨 고온에서만 사용할 수 있다.

이는 전해질 성분이 마그네슘 금속 음극 표면에 두꺼운 부도체 표면층을 형성하고, 결국 전지의 작동을 중단시키기 때문이다.

연구팀은 마그네슘 기반 이차전지 구현을 위해 기존 마그네슘 금속 음극의 한계를 극복하고 대체할 수 있는 새로운 마그네슘-주석(Mg2Sn) 합금 음극 소재를 개발하고, 고용량 충전‧방전 성능을 획득했다.

마그네슘-주석 합금은 마그네슘 삽입‧탈리 반응을 기반으로 하는 신개념 음극소재다. 전기화학적으로 쉽게 산화되는 종전 마그네슘 메탈 음극과 달리 충전‧방전시 전해질 사이에서 안정성을 확보할 수 있다.

특히 마그네슘-주석 음극은 여러 양극 소재와 조합이 가능하므로 다양한 마그네슘이온전지 제작이 가능하다. 음극을 제조할 때 전기전도도, 용량, 출력 등을 조절할 수 있어 전지의 성능향상도 가능하다.

송승완 교수는 “이번 연구는 마그네슘-주석 음극 소재를 상온에서 작동하는 마그네슘이온전지에 적용한 첫 사례”라며 “탈 리튬 차세대 이차전지 분야의 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이 연구 성과는 교육부‧한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다. 전기화학 분야 국제학술지인 저널 오브 파워 소스즈(Journal of Power Sources) 11월 15일자 논문으로 게재됐다.