KIST, '15분 침지'로 마그네슘 배터리 상용화 성큼[과학을읽다]

일반 대기서도 안정 작동 금속 음극 구현…공정 단가 낮춰 전기차·ESS 차세대 전지 기대

리튬이온배터리의 자원·안전성 한계를 넘어설 차세대 전지로 꼽히는 마그네슘 배터리의 상용화 길이 한층 가까워졌다. 한국과학기술연구원(KIST)이 단 15분 침지 공정만으로 일반 대기 환경에서도 안정적으로 작동하는 마그네슘 금속 음극을 구현하면서, 까다로운 건조 제조 공정의 벽을 크게 낮췄기 때문이다.

한국과학기술연구원은 오시형 KIST 에너지저장연구센터 박사 연구팀이 마그네슘 금속을 특수 용액에 15분간 담그는 방식으로 '대기 안정형 마그네슘 금속 음극'을 개발했다고 9일 밝혔다.

단순 침지 공정을 통한 마그네슘 음극의 보호층 형성 과정과 수분을 물리적·화학적으로 포획·제거하는 기능성 물질이 포함된 보호층의 구조 모식도. 연구팀 제공

마그네슘은 해수와 국내 자원에 풍부하고 가격이 낮은 데다 높은 부피당 에너지 밀도와 화학적 안정성을 갖춰 전기차 배터리와 에너지저장장치(ESS)용 차세대 소재로 주목받아 왔다. 하지만 극미량의 수분에도 전극 표면에 막이 생겨 전기 반응이 멈추는 치명적 한계 때문에, 기존에는 고비용 건조 시설과 엄격한 수분 차단 공정이 필수였다.

연구팀은 수분을 완전히 막는 대신 유입된 수분을 능동적으로 제거하는 방식으로 접근을 바꿨다. 마그네슘 금속을 트리메틸인산(TMP) 용액에 15분간 침지하면 표면에 나노 보호층이 형성되고, 이 층이 수분을 화학적으로 분해하거나 물리적으로 가둬 전극 표면 도달 전에 선제적으로 처리한다.

실제로 개발된 전극은 6500ppm 이상의 고수분 전해질 환경에서도 안정적인 충·방전을 유지했고, 1050ppm 조건에서는 1200시간 이상 성능을 유지했다. 특히 수분과 산소를 완전히 차단한 특수 밀폐 장비 없이 일반 대기에서 조립한 전지도 정상 작동해 실제 제조 현장 적용 가능성을 입증했다.

까다로운 건조 공정 없이 양산 가능성 입증

이번 성과는 마그네슘 전지의 최대 걸림돌이던 제조 공정을 단순화했다는 점에서 의미가 크다. 일반 대기에서 전지 조립이 가능해지면 공정 단가를 크게 낮출 수 있고, 단순 침지 방식이어서 대량 생산 라인으로 확장도 쉽다. 수분에 민감한 다른 금속 전지 분야로의 파급도 기대된다.

오시형 KIST 에너지저장연구센터 박사는 "수분을 차단하는 기존 수동적 방식에서 벗어나 능동적 수분 제어 개념으로 상용화의 핵심 장애 요인을 넘은 사례"라며 "마그네슘 배터리 연구와 양산 기술 확산을 크게 촉진할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 'Nature Communications' 최신호에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr