전고체 마그네슘 배터리 수명 400배 늘린 차세대 합금 음극재 개발 성공

리튬이온 배터리를 대체할 차세대 친환경 에너지 저장 기술로 주목받는 전고체 마그네슘 배터리의 상용화를 앞당길 획기적인 연구 성과가 발표되었다. 최근 일본 도호쿠 대학(Tohoku University) 첨단재료연구소(WPI-AIMR)의 하오 리(Hao Li) 교수 연구팀은 고체 전해질과 음극 사이의 화학 반응을 역으로 이용해 배터리의 효율과 안정성을 극대화하는 새로운 마그네슘 합금 음극 설계 기술을 개발했다. 이번 연구는 고체 배터리의 최대 난제였던 계면 불안정성 문제를 해결하며 에너지 밀도가 높은 차세대 배터리 시장의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

계면 반응의 역발상과 전고체 마그네슘 배터리 전해질 안정성

기존 배터리 공학에서는 고체 전해질과 음극 표면 사이에서 일어나는 계면 반응을 배터리 성능을 저하시키는 유해한 요소로 취급하여 이를 억제하는 데 주력해왔다. 하지만 도호쿠 대학 연구팀은 학술지 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)를 통해 계면 반응을 무조건 억제하기보다 미세하게 제어하고 유도할 때 전지 효율이 극대화된다는 역발상 연구 결과를 공개했다. 연구팀은 마그네슘 음극에 주석(Sn)을 결합하여 고체 전해질 계면에 안정적인 수동태 상(Mg₂Sn)을 형성시켰으며, 이를 통해 배터리 내부의 화학적 유해 반응을 조절하고 마그네슘 이온의 이동 효율을 대폭 향상시키는 데 성공했다.

수명 특성 400배 향상으로 입증한 전고체 마그네슘 배터리 기술의 혁신

연구팀은 고처리량 스크리닝 분석 기법을 통해 최적의 합금 조성을 설계하고, 전고체 환경에서의 전기화학적 구동 성능을 검증했다. 실험 결과, 새롭게 설계된 마그네슘-주석 합금 음극은 균일한 마그네슘 증착 레이어를 형성하여 내부 단락을 방지하고 장기 사이클 안정성을 획기적으로 높였다. 특히 전고체 배터리 셀 테스트에서 이 합금 음극은 1,300시간 이상 안정적으로 구동되었으며, 이는 기존 순수 마그네슘 음극을 적용했을 때보다 무려 400배 이상 향상된 수명 성능이다.

리튬 대체재 상용화를 가로막던 전고체 마그네슘 배터리의 한계 극복

마그네슘은 리튬에 비해 매장량이 풍부하고 가격이 저렴할 뿐만 아니라 높은 에너지 밀도를 가질 수 있어 차세대 배터리의 핵심 소재로 손꼽혀왔다. 그러나 고체 전해질과의 계면 불안정성으로 인한 성능 저하가 상용화의 거대한 장벽으로 작용해왔다. 이번 연구는 마그네슘 합금의 표면 및 내부 구조 엔지니어링을 통해 화학적 반응성과 이온 수송 능력 사이의 완벽한 균형을 찾아냈다는 점에서 의의가 크다. 이번 성과는 향후 스마트폰, 노트북, 전기차 등에 쓰일 더 안전하고 오래가는 차세대 에너지 저장 시스템 개발에 중요한 학술적 기반이 될 전망이다.

[알아두면 좋은 용어]

• 전고체 마그네슘 배터리(Solid-State Magnesium Battery): 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하고 마그네슘을 음극재로 채택한 배터리로, 화재 위험이 없고 리튬보다 비용이 저렴하며 에너지 밀도가 높은 차세대 전지다.
• 계면 반응(Interfacial Reaction): 배터리 가동 시 고체 전해질과 전극이 맞닿은 경계면에서 일어나는 화학 반응으로, 전지의 수명과 이온 이동 속도에 결정적인 영향을 미친다.

손동민 에디터 / hello@sciencewave.kr

자료: techxplore.com

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