고려대 연구팀, 마그네슘 전지 안정성·성능 높인 코팅 기술 개발

이민우 기자
입력 2021.12.10 10:17
유승호 고려대학교 교수(화공생명공학과) 연구팀이 실시간 이미징 분석법으로 마그네슘 금속의 수지상(덴드라이트, Dendrite) 성장 여부를 명확하게 규명하고, 소량의 금 원자를 집전체에 코팅해 마그네슘 금속 전극의 안정성을 보장하고 전기화학 성능을 향상시키는 기술 개발에 성공했다.

수지상 성장이란 금속 전극이 충방전과정에서 마치 나뭇가지처럼 뾰족한 모양으로 자라는 것을 말한다. 전지의 안전성을 크게 저하시키는 만큼, 배터리와 전극 기술에서 수지상 성장을 억제하는 것이 매우 중요하다.

금 코팅을 하지 않았을 때와 금 코팅을 했을 때, 마그네슘 성장 거동 차이를 나타내는 모식도와 실시간 X-ray 분석을 통한 결과 / 고려대학교
10일 고려대는 유승호 교수 연구팀이 금 코팅으로 마그네슘 금속의 수지상 성장을 획기적으로 완화하는 결과를 도출했다고 발표했다. 마그네슘 금속은 충방전 과정에서 리튬 금속과 달리 수지상 성장이 일어나지 않는다고 알려져 있었지만, 최근 특정 조건에서 마그네슘 수지상 성장의 가능성이 보고되기 시작했다.

마그네슘 이차전지는 현재 상용화된 리튬 기반 이차전지를 대체할 수 있는 강력한 후보로 주목을 받고 있다. 원료인 마그네슘이 리튬보다 높은 부피 용량에 가격도 저렴한데다 친환경 등 다양한 장점을 가지고 있기 때문이다. 현재 시장에 상용화된 리튬과 코발트 등 값비싼 재료를 사용하는 리튬 이온 이차전지를 대체하기 위해서, 마그네슘의 수지상 성장 조건 입증과 해결 방법 개발 필요가 대두돼왔다.

유승호 교수팀은 전기화학 분석과 제일원리계산, 가시광선과 X-ray를 이용한 실시간(operando) 이미징 분석으로 마그네슘 금속의 수지상 성장 메커니즘을 입증했다. 이에 대응해 소량의 금을 도입해 수지상의 마그네슘 성장을 효과적으로 제어하는 기술도 개발했다. 실제로 금이 도입된 집전체에서는 높은 충방전 전류(10 ㎃/㎝2) 환경 속에서도 수지상의 마그네슘 성장이 억제돼, 금속 음극의 활용 가능성이 높아졌다.

이번 연구는 곽진환 박사과정(제1저자, 고려대)과 전윤서 석박통합과정(공동 제1저자, 서울대), 성영은 교수(공동교신저자, 서울대), 임희대 박사(공동교신저자, 한국과학기술연구원)와의 공동연구로 이뤄졌다. 연구 성과는 국제 학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’ (IF=23.101)에 12월 8일 온라인 게재됐다.

유승호 고려대 교수는 "이번 연구에서 제시된 금 코팅 전략은 기존 리튬 이차전지를 대체할 고에너지 밀도의 마그네슘 금속 이차전지 활용 가능성을 보여주다"며 "정밀하고 체계적인 분석법 및 수지상 억제 전략은 추후 마그네슘 금속뿐만 아니라 다양한 차세대 금속 이차전지 연구 분야에 크게 기여할 것으로 기대된다"고 설명했다.

이민우 기자 minoo@chosunbiz.com


T조선 뉴스레터 를 받아보세요! - 구독신청하기
매일 IT조선 뉴스를 받아보세요 닫기