전기차 배터리와 대용량 에너지저장장치에 널리 쓰이는 리튬이온배터리는 뛰어난 성능을 자랑하지만, 자원 부족, 높은 비용, 그리고 안전성 문제가 해결되지 않아 한계에 직면해 있습니다. 특히, 화재와 폭발 사고 위험이 존재하는 만큼 차세대 배터리 소재 연구가 절실한 상황입니다. 이 가운데, 마그네슘(Mg) 배터리가 주목받고 있는데, 이는 해수와 한반도 주변에서 풍부하게 존재하며 저렴한 비용으로 공급이 가능하다는 장점이 있습니다. 또한, 높은 부피당 에너지 밀도와 화학적 안정성을 갖추고 있어 미래 배터리 소재로서의 잠재력이 크다고 평가받고 있습니다.
하지만, 마그네슘은 수분에 극도로 민감하다는 치명적인 결점이 있어, 극미량의 수분만 접촉해도 전극 표면에 막이 형성되어 전기 반응이 멈추는 문제가 존재했습니다. 기존 연구들은 이 문제를 해결하기 위해 엄격한 수분 차단 시설과 고도 건조 공정을 도입했지만, 이러한 공정은 비용 상승과 양산의 어려움이라는 한계에 부딪혀 왔습니다. 이에 따라 실제 상용화를 위해서는 비용과 생산성을 동시에 만족시키는 기술 개발이 필요하다는 과제가 남아 있었습니다.
이러한 문제 해결에 나선 것은 한국과학기술연구원(KIST)의 오시형 박사 연구팀입니다. 연구팀은 최근 특수한 용액에 마그네슘 금속을 15분간 침지하는 방식으로, 일반 대기 환경에서도 안정적이면서도 성능을 유지하는 ‘대기 안정형 마그네슘 금속 음극’을 개발하는 데 성공하였습니다. 기존 연구들이 수분 차단에만 집중했던 것과 달리, 이번 연구는 수분 차단 대신 유입된 수분을 능동적으로 제거하는 개념을 도입해 개념을 전환시켰습니다.
연구팀은 마그네슘 금속을 ‘트리메틸인산(Trimethyl phosphate, TMP)’ 용액에 15분간 침지하면, 표면에 나노 구조의 보호층이 형성됩니다. 이 보호층은 수분을 화학적으로 분해하거나 물리적으로 가둬, 수분이 마그네슘 표면에 닿기 전에 선제적으로 제거하는 역할을 합니다. 이러한 방법은 수분 유입이 극히 적은 건조한 실내 환경뿐 아니라, 습한 실내 공기 수준인 6,500ppm 이상의 고수분 환경에서도 안정적인 충전과 방전 성능을 보여줍니다.
특히, 1,050ppm 조건에서는 1,200시간 이상 장기 구동 시험에서도 성능 저하 없이 안정성을 유지하였으며, 수분과 산소 차단을 위한 별도 밀폐 장비 없이 일반 대기 속에서 전지를 조립하는 것도 가능하다는 점이 실증되었습니다. 이는 향후 배터리 제조 공정을 대폭 간소화할 수 있는 핵심 기술로 평가받으며, 비용 절감과 대량 생산에 큰 도움을 줄 것으로 기대됩니다.
이 기술의 가장 큰 강점은 복잡한 수분 제어 공정을 제거함으로써, 공정 단가를 낮추고 생산성을 높일 수 있다는 점입니다. 또한, 간단한 침지 공정으로 대량 생산에 쉽게 확장할 수 있어, 기존 기술보다 상용화가 훨씬 용이하다고 볼 수 있습니다. 더불어, 이번 연구 성과는 수분에 민감한 다른 금속 전지에도 적용할 수 있어, 차세대 전지 개발에 새로운 패러다임을 제시하는 의미가 있습니다.
한국과학기술연구원 오시형 박사는 “이번 연구는 수분을 차단하는 기존의 수동적 제어 방식에서 벗어나, 능동적 수분 제어 개념에 기반한 설계 전략으로 마그네슘 배터리 상용화의 주요 장애 요인을 극복한 사례”라고 말하며, “앞으로도 수분 제어를 위한 복잡한 공정이 연구 확산에 제약이 되었던 만큼, 이번 기술은 마그네슘 배터리 분야 연구를 획기적으로 촉진하는 계기가 될 것”이라고 기대를 표명하였습니다.
이와 같이, 이번 기술은 차세대 배터리의 핵심 과제인 안전성과 생산성 문제를 동시에 해결하며, 배터리 시장의 경쟁 구도를 바꾸는 중요한 전환점이 될 것으로 보입니다. 앞으로 더 많은 연구와 산업 현장에서의 적용이 기대되며, 배터리 산업의 혁신을 앞당기는 계기가 될 것으로 분석됩니다.
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