차세대 에너지 저장의 힘 - KIST의 마그네슘 전지 기술 개발

끊임없이 발전하는 배터리 기술 분야에서 마그네슘 배터리는 널리 사용되는 리튬이온 배터리를 대체할 유망한 차세대 대안으로 떠올랐습니다. 최근 한국과학기술원(KIST)의 약진으로 이 획기적인 마그네슘 전지 기술 상용화가 현실화에 가까워졌습니다.

마그네슘-배터리인사이드(*출처:LG에너지솔루션)

 

 

KIST의 마그네슘 전지 기술 개발

 

이민아 수석연구원이 이끌고 있는 팀인 KIST 에너지 저장 연구 센터가 지난 6월 4일 중대한 개발을 발표했습니다. 연구팀은 자체 마그네슘 금속화학 활성화 기술을 개발해 표준 비부식성 전해질로 마그네슘 전지를 효율적으로 작동시킬 수 있도록 했습니다. 이 발견에 의해 마그네슘 전지의 대량 생산이 가능해지고 차세대 이차 전지의 필수적인 구성 요소로서 마그네슘의 가능성이 강조되었습니다.

 

 

왜 마그네슘 전지인가?

 

마그네슘 전지는 리튬이온의 두 배의 전하를 갖는 이원성 마그네슘 이온을 활용해 리튬 등 알칼리 금속이온 전지보다 높은 에너지 밀도를 제공할 가능성이 있습니다. 마그네슘 금속을 양극으로 사용함으로써 리튬 금속의 1.9배 더 큰 용량을 얻을 수 있어 마그네슘 전지 기술의 유망성이 더욱 부각됐습니다. 역사적으로 마그네슘은 이온을 수송하는 전해질과의 반응성이 높아 상품화에는 큰 장애물이 되었습니다. 부식성 전해질은 충전 및 방전 효율을 높일 수 있는데, 이 접근법은 부품의 급속한 부식을 가져왔었습니다.

 

마그네슘 특징

 

마그네슘은 은백색으로 가볍고 반응성이 높은 알칼리 토류 금속입니다. 밀도가 낮고 강도가 높은 것으로 알려져 있어 무게를 신경 쓰는 많은 응용 분야(애플리케이션)에 최적입니다. 방열성이 우수하며, 특히 다른 금속과 결합하여 합금화할 경우 부식에도 강합니다. 게다가 마그네슘은 생체적합성 물질로 인체에 필수적인 미네랄로 수백 가지 대사반응을 일으킵니다. 마그네슘은 반응성에도 불구하고 공기에 노출되면 보호산화물 코팅을 형성해 내식성을 더욱 높일 수 있습니다.

 

 

분야별 마그네슘 기술

 

1. 전자공학의 마그네슘

 

에너지 저장 이외에도 마그네슘의 독특한 성질이 전자공학의 폭넓은 분야에서 주목받고 있습니다. 마그네슘의 경량, 고강도, 양호한 방열성으로 전자기기에서의 다양한 용도에 적합한 재료가 되었습니다. 스마트폰 본체부터 노트북 내부 부품까지 마그네슘 합금이 꾸준히 인기를 끌고 있습니다.

 

2. 휴대용 장치의 마그네슘

 

보다 가볍고 강력하며 콤팩트한 장치에 대한 수요가 전자 기기에 마그네슘 등의 재료를 필요로 하고 있습니다. 노트북이나 스마트폰과 같은 휴대용 장치에 마그네슘 합금을 사용하면 장치 전체의 무게가 감소할 뿐만 아니라 방열 능력도 향상됩니다. 그 결과, 보다 효율적이고 오래가는 장치가 실현되며 이것은 오늘날의 기술에 박식한 소비자의 소비 패턴을 고려할 때 더 효율적이고 오래 지속되는 장치를 만드는 데 중요한 요소입니다.

 

3. 자동차 전자기기의 마그네슘

 

마그네슘의 역할은 자동차 전자 분야에도 미치고 있습니다. 전기차와 보다 정교한 차량용 컴퓨터로 자동차 산업이 발전함에 따라 가볍고 튼튼하며 내열성 있는 소재에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 전자 제어 유닛의 마그네슘 부품은 가혹한 자동차 환경을 견딜 수 있으며 가볍고 연비가 좋은 차량으로의 전체적인 드라이브를 지원합니다.

 

4. 반도체 및 기타 구성 요소의 마그네슘

 

마그네슘도 반도체 분야에 진출하면서 전자 분야에서의 역할이 더욱 확대되고 있습니다. 연구자들은 보다 효율적이고 소형 트랜지스터를 만들기 위해 마그네슘을 사용하는 것을 조사하고 있습니다. 이것은 보다 콤팩트하고 강력한 전자 장치로 이어질 수 있습니다. 게다가 산화마그네슘(MgO)은 전자회로의 중요한 컴포넌트인 MLCC(다층 세라믹 콘덴서) 제조에 널리 사용되고 있습니다.

 

마그네슘 전지 기술의 미래

 

KIST 연구팀은 마그네슘 금속 표면에 보호막을 합성해 충전과 방전을 촉진함으로써 이 도전을 성공적으로 해결했습니다. 이 기술을 적용함으로써 부식성 첨가제가 없는 전해질에서도 충전과 방전 전압을 2V에서 0.2V 이하로 낮출 수 있게 되었습니다.

 

이 돌파구는 또한 쿨롱 효율을 10% 미만에서 99.5% 이상으로 높임으로써 충전과 방전 효율이 크게 향상되는 것을 의미합니다. 연구는 마그네슘 이차전지가 표준 전해질에서도 안정적인 작동을 유지하고 990회 이상의 충방전 주기를 달성할 수 있음을 입증했습니다.

 

이민아 수석연구원은 이를 마그네슘 이차전지 연구의 새로운 방향으로 환영하며 "고에너지 밀도 마그네슘 이차전지의 상용화 가능성을 높일 것이다."라고 말했습니다.

 

 

마치며

 

전자기기 축소가 지속되고 에너지 효율에 대한 수요가 커짐에 따라 전자기기에서 마그네슘의 역할은 확대될 가능성이 높습니다. 독특한 특성은 웨어러블 디바이스, 사물인터넷(IoT) 센서, 첨단 자동차 시스템 등 신기술 요구와 잘 어우러집니다.

 

마그네슘은 미래에 전자기기의 중요한 플레이어가 될 준비가 되어 있으며 마그네슘 전지 기술의 일부로서 에너지 저장에서의 그 가능성을 보완하고 있습니다. 지구상에서 8번째로 풍부한 원소인 마그네슘에서 전자기기나 에너지 저장 분야에서 게임을 바꿀 수 있는 재료가 되기까지의 여정은 우리가 끊임없이 기술의 진보를 추구하고 있다는 증거입니다.

 

최근 KIST의 개발로 인해 마그네슘 전지 기술은 새로운 시대의 고비에 있으며 에너지 저장 개념을 재정의할 준비가 되어 있습니다. 세계가 환경적으로 지속 가능하고 효율적인 에너지 솔루션에 기울고 있는 가운데, 우리 에너지 미래에서 마그네슘의 역할은 점점 더 중요해지고 있습니다.