마그네슘 금속 음극 기반 차세대 이차전지 개발

공과대학 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀(제1저자 : 곽진환 박사과정)이 실시간 이미징 분석법을 통해 마그네슘 금속의 수지상(덴드라이트, Dendrite) 성장 여부를 명확하게 규명하고, 소량의 금 원자를 집전체에 코팅하여 마그네슘 금속의 수지상 성장을 획기적으로 완화하는 결과를 도출했다. 수지상 성장이란 마치 나뭇가지처럼 뾰족한 모양으로 자라는 것을 말하며, 전지의 안전성을 크게 저하시키기 때문에, 수지상 성장을 억제하는 것이 매우 중요하다.

현재 상용화되어 있는 리튬 이온 이차전지는 리튬이나 코발트 등 값비싼 재료를 기반으로 하며, 리튬의 경우 물과 산소에 높은 반응성을 가지기 때문에 전지 안전성 문제에 있어 자유롭지 못하다. 최근 이차전지의 가격 경쟁력 향상과 안전성 문제의 해결이 강조되고 있으며 이를 이루어내기 위해 마그네슘을 기반으로 하는 새로운 개념의 이차전지가 주목받고 있다. 마그네슘은 지구 지각에 풍부하게 존재하기 때문에 가격이 저렴하고, 친환경적이라는 장점을 갖고 있으며, 물과 산소와의 반응성이 상대적으로 작아 공기 중에서도 안전하다는 특성을 지니고 있다. 또한 마그네슘 금속 전극의 경우 3,833 mAh/cm3 라는 높은 부피 용량을 가지며 이는 리튬 금속 전극(2,093 mAh/cm3)과 비교해서도 더 높다. 이러한 마그네슘의 경제성, 안전성, 그리고 높은 부피 용량으로 인해 마그네슘 이차전지는 현재 상용화된 리튬 기반 이차전지를 대체할 수 있는 강력한 후보로 주목을 받고 있다.

일반적으로 금속 전극이 도입된 이차전지는 이론적 용량의 최대치를 이용할 수 있어 높은 용량 발현에 있어 유리하지만, 충/방전 과정에서 특정 지점에서 금속이 집중적으로 성장하여 수지상 구조가 나타난다는 단점을 갖는다. 마그네슘 금속은 충/방전 과정에서 리튬 금속과 달리 수지상 성장이 일어나지 않는다고 알려져 있었으며 이러한 독특한 특성으로 인해 차세대 이차전지로 더욱 큰 주목을 받고 있었다. 하지만 최근 들어 특정한 조건에서 마그네슘 수지상 성장의 가능성이 보고되기 시작하여 이를 명확하게 증명하고 수지상의 마그네슘 성장을 효과적으로 억제시킬 수 있는 전략의 개발이 필요한 상황이다.

유승호 교수팀은 다양한 전기화학 분석과 제일원리계산, 그리고 가시광선과 X-ray를 이용한 실시간(operando) 이미징 분석 기법을 통해 마그네슘 금속이 성장하는 메커니즘을 명확하게 입증했다. 또한 집전체에 소량의 금을 도입해 수지상의 마그네슘 성장을 효과적으로 제어하는 기술을 개발하여 마그네슘 금속 음극의 활용 가능성을 높였다. 실제로 금이 도입된 집전체에서는 10 mA/cm2의 높은 충/방전 전류 환경 속에서도 수지상의 마그네슘 성장이 억제됐다.