마그네슘 이온 전고체 배터리: 리튬보다 안전하고 효율적

에너지 밀도가 높고 폭발하지 않는 전고체 배터리를 약속하기엔 아직 이르지만, 공동 에너지 저장 연구 센터(JCESR) 연구진이 마그네슘 이온 전고체 도전체를 개발해 불연성 마그네슘 배터리, 더 높은 에너지 저장 용량 실현에 한 발 더 다가섰습니다.

리튬 배터리가 폭발하는 이유는 액체 전해질이 양극과 음극 사이를 오가며 전하를 운반하기 때문으로, 이는 잠재적으로 인화성 물질입니다. 그러나 마그네슘 전고체 도전체는 전해질로 사용될 수 있으며(액체가 아님), 난연성입니다. 이는 미래에 삼성 갤럭시와 아이폰이 파편으로 터지는 일이 없을 것임을 의미합니다.

도요타와 KIT 등 여러 회사가 더 나은 액체 전해질 개발에 집중했지만, 배터리 다른 구성요소를 부식시키는 경향이 있습니다. 그래서 연구진은 다른 접근을 시도했습니다. 리튬보다 밀도가 높고 자연에 훨씬 풍부한 마그네슘을 써보자는 것입니다.

이 기술 개발을 위해 연구진은 마그네슘 스칸듐 셀레나이드 스피넬(magnesium scandium selenide spinel)을 선택했습니다. 이는 리튬 전고체 전해질과 비교 가능한 마그네슘 이동성을 가집니다. 어떻게 가능하게 했는지 알아보겠습니다.

MIT와 아르곤 국립연구소의 역할

과학자 팀은 계산 자원을 제공한 MIT 연구진과 마그네슘 스칸듐 셀레나이드 스피넬 소재의 구조와 기능을 기록한 아르곤 국립연구소의 도움을 받았습니다.

아르곤의 연구 화학자 바리스 키(Baris Key)는 NMR(핵자기공명) 분광법 테스트를 수행해 마그네슘 이온이 이론 연구에서 예측된 것만큼 빠르게 물질을 통과할 수 있음을 입증했습니다. 실험 데이터는 복잡한 특성을 가진 미지의 물질 구조를 포함해 이해하기 꽤 어려웠습니다.

고체 NMR과 싱크로트론 측정, 전통적인 전기화학적 특성 분석이 함께 적용돼 이러한 발견이 가능했습니다.

NMR은 의료에서 인간 신경, 근육, 지방 조직의 수소 원자를 보여주는 데 자주 쓰이는 MRI(자기공명영상)와 매우 유사합니다. NMR 주파수를 조절해 배터리 소재에 존재하는 마그네슘이나 리튬 이온 같은 다른 원소를 식별할 수 있습니다.

출처: 로렌스 버클리 국립연구소

왜 마그네슘 스칸듐 셀레나이드 스피넬인가?

스피넬 구조는 설계 매개변수를 기반으로 선택되었습니다. 이 구조는 음이온당 부피가 높으면서 가장 높은 마그네슘 이동성을 가집니다. 또한 NMR 완화도 측정과 임피던스 분광법이 낮은 이동 장벽으로 빠른 마그네슘 이온 운동을 확인했습니다. 임피던스 분광법이 혼합 전도 거동을 보이므로, 이 물질이 실용적인 전고체 마그네슘 전해질로 쓰이려면 전자 전도도를 억제하는 방안을 모색해야 합니다.

전고체 마그네슘 전해질 제조에 상당한 영향을 미칠 두 가지 근본 현상(점 결함의 역할, 마그네슘 이동성과 전기화학에 대한 역전의 영향)에 관한 논문 두 편이 'Chemistry of Materials'에 게재되었습니다.

관찰 결과 전자 전도도는 고유 결함이나 마그네슘을 포함하지 않는 2차 위상에 의해 발생하는 것으로 보입니다. 따라서 마그네슘 스칸듐 셀레나이드 스피넬의 결함 화학을 이해하는 것이 전자 전도도를 줄이는 데 매우 중요합니다. 전자 전도를 우회하는 대안적 접근법은 표면을 이온 전도성은 있지만 전자 절연성으로 엔지니어링하는 것입니다. 이는 물질의 전고체 전해질과 전극 사이의 얇은 계면 현장 형성을 통해, 또는 다른 물질의 얇은 층을 외피 코팅(ex situ coating)함으로써 달성할 수 있습니다.

전고체 배터리의 양호한 성능을 보장하려면 실용적인 코팅 층이 충분한 마그네슘 이동성을 보여야 합니다. 연구팀은 이진 셀레나이드 마그네슘, 황화 마그네슘, 산화 마그네슘 등 마그네슘 소재에 대한 주목할 만한 전해질 분해 생성물을 통한 마그네슘 확산을 고려했습니다.

산화 마그네슘과 황화 마그네슘에서 높은 확산 장벽을 발견한 반면, 셀레나이드 마그네슘은 더 낮은 값을 보였습니다. 따라서 황화물과 산화물로 구성된 잠재적 마그네슘 전고체 전해질은 마그네슘 금속에 사용될 때 이진 마그네슘 칼코게나이드보다 더 나은 마그네슘 이동성을 가진 계면 생성물 생성을 보장해야 합니다.

최초로 상온에서 높은 마그네슘 이온 전도도를 가진 스피넬을 식별한 것 외에도, 이 연구는 다가 이온 전고체 도전체에 대한 기존 설계 규칙을 검증했습니다. 이는 전해질 소재나 전극으로 기능할 수 있는 빠른 마그네슘 이동성을 가진 더 많은 고체 발견에 고무적인 단계입니다.

연구 논문: 3원계 스피넬 칼코게나이드에서의 높은 마그네슘 이동성

효과 및 미래 전망

상하이 교통대학 보(Bo) 조교수에 따르면, 이 연구는 에너지 지형에 주목할 만한 영향을 미칠 것입니다. 기술이 초기 단계지만, 머지않아 에너지 저장에 변혁적 영향을 미칠 수 있습니다.

참고 읽기: 인터넷에서 볼 수 있는 30가지 흥미로운 과학 실험

획기적이고 흥미롭게 들리지만, 팀은 실제 배터리에 소재를 사용하기 전에 아직 많은 마무리 작업이 필요하다고 말합니다. 현재 소량의 전자 누설이 있어 제거해야 하지만, 향상된 이온 이동성은 더 안전한 상용 배터리에 고무적입니다.