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

[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 배터리 소재로 주목받는 마그네슘 배터리의 상용화 난제를 해결할 연구결과가 도출됐다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 오시형 박사 연구팀은 마그네슘 금속을 특수한 용액에 단 15분간 담그는 것만으로, 일반 대기 환경에서도 안정적으로 작동하는 ‘대기 안정형 마그네슘 금속 음극’을 구현하는 데 성공했다.

기존에는 수분을 사전 완전히 배제하는 방향에 집중해왔다면, 연구팀은 수분을 ‘차단’하는 대신 유입된 수분을 능동적으로 ‘제거’하는 개념을 도입했다. 마그네슘 금속을 ‘트리메틸인산(Trimethyl phosphate, TMP)’ 용액에 15분간 침지하면 나노 구조의 보호층이 표면에 형성된다. 이 보호층이 수분을 화학적으로 분해하거나 물리적으로 가둬, 마그네슘 표면에 수분이 닿기 전에 선제적으로 처리한다.

기존 마그네슘 전극이 맑은 날 실내의 건조한 공기로부터 유입될 수 있는 극미량의 수분을 함유한 전해질에서도 즉시 작동 불능에 빠졌던 것과 달리, 개발된 전극은 습한 실내 공기 수준으로부터 유입될 수 있는 6500ppm 이상의 고수분 전해질 환경에서도 안정적인 충·방전을 유지했다. 1050ppm 조건에서는 1200시간 이상의 장기 구동에도 성능이 유지됐고, 수분과 산소를 완전히 차단한 특수 밀폐 장비 없이 일반 대기에서 조립한 전지도 정상 작동해 실제 제조 환경 적용 가능성까지 증명했다.

오시형 KIST 박사.[KIST 제공]

이번 연구성과는 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.

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 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.