배터리 소재로 주목받는 마그네슘이 수분에 취약하다는 문제를 가진 가운데, 우리 연구진이 이를 해소하는 성과를 내놓았다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 오시형 에너지저장연구센터 박사팀이 특수 용액에 15분 간 담그는 것만으로, 일반 대기 환경에서도 안정적으로 작동하는 '대기 안정형 마그네슘 금속 음극'을 구현했다고 9일 밝혔다.
연구팀은 수분을 차단하는 대신, 유입 수분을 제거하는 방식을 택했다. 마그네슘 금속을 '트리메틸인산(TMP)' 용액에 15분간 담그면 나노 구조 보호층이 표면에 형성되는데, 이 보호층이 수분을 화학적으로 분해하거나 물리적으로 가둔다. 마그네슘 표면에 수분이 닿기 전에 선제적으로 처리한다.
기존 마그네슘 전극이 맑은 날에도 수십 ppm의 극미량 수분을 함유한 전해질에서도 즉시 작동 불능에 빠졌던 것과 달리, 개발 전극은 6500ppm 이상 고수분 전해질 환경에서도 안정적인 충·방전을 유지했다. 1050ppm 조건에서는 1200시간 이상 장기 구동에도 성능이 유지됐고, 대기 중에서 조립한 전지도 정상 작동해 실제 제조 환경 적용 가능성까지 증명했다.
이번 연구성과는 마그네슘 전지 연구 패러다임을 바꿀 핵심기술로 평가된다. 복잡한 수분 제어 공정 없이 일반 대기에서 전지 조립이 가능해져 공정 단가를 크게 낮출 수 있고, 단순 침지 공정으로 구현 가능해 대량 생산 공정으로의 확장도 용이하다. '능동적 수분 제어' 개념은 수분에 민감한 다른 금속 전지에도 적용할 수 있어 파급효과도 클 것으로 기대된다.
오시형 박사는 “이번 연구는 수분을 차단하는 기존의 수동적 제어 방식에서 벗어나, 능동적 수분 제어 개념에 기반한 설계 전략으로 마그네슘 배터리 상용화의 주요 장애 요인을 극복한 사례”라며, “그동안 수분 제어를 위한 복잡한 공정으로 연구 확산에 제약이 존재했던 만큼, 이번 기술은 향후 마그네슘 배터리 분야의 연구를 획기적으로 촉진하는 계기가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈 최신호에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
