★ 2017. 12. 11.(월) 조간(온라인 12. 10.(일) 12:00)부터 보도하여 주시기 바랍니다.

보도자료
	<홍보실> 실장 김한기, 연구원 장효정 ☎ 042-869-6116
<자료문의> 충남대학교 송승완 교수 (042-821-7008)
마그네슘이온전지용 새로운 음극 소재 개발 - 풍부한 마그네슘 기반 저가이며 우수한 차세대 이차전지 기대 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 송승완 교수(충남대학교) 연구팀이 “자원 매장량이 풍부한 마그네슘을 기반으로 마그네슘이온전지를 구현할 수 있는 새로운 음극 소재를 개발했다”고 밝혔다.

□ 현재 상용되는 리튬이온전지는 리튬 가격이 비싸고 전적으로 수입에 의존해야 하며 짧은 수명과 폭발 위험성 등의 단점이 있다. 반면, 마그네슘이온전지*는 마그네슘을 구하기 쉽고 리튬이온전지보다 상대적으로 안전하며 친환경적이고 단위 부피당 에너지 밀도가 높으므로 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있다.

* 마그네슘이온전지 : 리튬 대신 마그네슘 관련 소재를 사용하는 이차전지. 마그네슘 가격은 리튬의 4%, 이론적 단위 부피당 에너지 밀도는 리튬이온전지의 1.7배(마그네슘이차전지 3833mAh/cm3, 리튬이온전지 2205mAh/cm3)

□ 그러나 마그네슘 금속을 음극으로 사용하는 마그네슘메탈전지는 리튬이차전지에서와 같이 염과 유기용매로 구성된 전해질을 사용하면 상온에서 작동이 어렵고, 특정 용매에서는 60~100℃의 고온에서만 사용할 수 있다. 이는 전해질 성분이 마그네슘 금속 음극 표면에 두꺼운 부도체 표면층을 형성하고, 결국 전지의 작동을 중단시키기 때문이다.

□ 연구팀은 마그네슘 기반의 이차전지 구현을 위해 기존 마그네슘 금속 음극의 한계를 극복하고 대체할 수 있는 새로운 마그네슘-주석(Mg2Sn) 합금 음극 소재를 개발하고, 고용량 충전‧방전 성능을 획득했다.

ㅇ 마그네슘-주석 합금은 마그네슘의 삽입‧탈리 반응을 기반으로 하는 신개념 음극소재로서, 전기화학적으로 쉽게 산화되는 종전의 마그네슘 메탈 음극과 달리 충전‧방전시 전해질 사이에서 안정성을 확보할 수 있다.

ㅇ 특히 마그네슘-주석 음극은 여러 양극 소재와의 조합이 가능하므로 다양한 마그네슘이온전지 제작이 가능하고, 음극을 제조할 때 전기전도도, 용량, 출력 등을 조절할 수 있어 전지의 성능향상도 가능하다.

□ 송승완 교수는 “이 연구는 마그네슘-주석 음극 소재를 상온에서 작동하는 마그네슘이온전지에 적용한 최초의 사례”라며, “탈(脫)리튬 차세대 이차전지 분야의 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 교육부‧한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업의 지원으로 수행되었다. 전기화학 분야 국제학술지인 저널 오브 파워 소스즈(Journal of Power Sources) 11월 15일자 논문으로 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
2. 연구결과 개요
3. 연구이야기
4. 용어설명
5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

- 논문명 : Magnesium stannide as a high-capacity anode for magnesium-ion batteries

- 저  자 : 누엔단티엔 박사 (Dan-Thien Nguyen, 제1저자, 충남대학교)
송승완 교수 (교신저자, 충남대학교)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

○ 마그네슘 메탈을 음극으로 사용하는 마그네슘메탈전지의 경우, 마그네슘염과 유기용매로 구성된 기존 타입의 전해질을 상온에서 사용하기 어렵고 특정 용매 사용시 고온 (60-100℃)에서만 사용 가능하다. 이는 산소를 포함하는 전해질 성분이 마그네슘 메탈 음극과의 접촉시 비가역적으로 MgO 등 조성의 두꺼운 부도체 표면층을 형성하고 Mg2+ 이온 전도가 불가능해져 결국 전지 작동이 중단되는 문제가 있기 때문이다.

○ 마그네슘 메탈 음극의 한계를 돌파하는 작동 기작을 가지는 혁신적인 신규 음극소재 개발과 이를 통해 마그네슘이온전지의 상온 구동이 시급히 필요하다.

○ 특히, 현재까지 연구된 양극소재 대부분이 Mg-free 소재이므로, 신규 음극소재는 Mg 저장고 역할을 하도록 Mg-포함 소재로 설계, 개발할 필요가 있다.

2. 연구내용

○ 본 연구에서는 풍부한 자원매장량을 가지는 마그네슘 기반 마그네슘이온전지 구현을 위해 기존 마그네슘 메탈 음극의 한계를 극복하고 대체할 수 있는 신규 고용량 (~250mAh/g) 음극소재인 Mg2Sn을 최초로 개발하고 음극으로 제작하였다.

○ 최초로 Mg2Sn 음극과 Mg-free인 산화물 양극의 컴비네이션을 통해 마그네슘이온전지를 구현하고 마그네슘염과 용매로 이루어진 기존 타입의 상온 전해질에서 초기 충방전 성능을 획득하였다.

○ 전기화학적으로 쉽게 산화되는 특성을 가지는 마그네슘 메탈 음극 대비, Mg2Sn는 Zintle 상을 가지는 소재로서 Mg2+와 Sn4-의 이온특성을 가지고 있고 충방전 사이클 중에 Mg가 2+ 산화수를 유지할 수 있기 때문에 Mg2Sn와 전해질간 계면안정성을 확보할 수 있다. 또한 이와 연계하여 Mg2Sn 구조유지성도 확보될 수 있다.

○ 본 연구에서 개발된 Mg2Sn 음극은 다양한 Mg-free 양극소재와의 컴비네이션을 통해 상온에서 작동하는 완전셀 마그네슘이온전지를 제작할 수 있으므로, 앞으로 ”탈리튬“ 차세대이차전지 분야에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. Mg2Sn 음극 조성 최적화를 통해 음극의 전기전도도, 용량, 출력 등 다양한 특성을 조절할 수 있기 때문에 향상된 성능의 음극 제작이 가능하다.

3. 연구 성과

○ 기존 마그네슘 메탈 음극의 한계를 극복하고 대체하기 위해, 마그네슘이온전지용 신규 음극소재인 Mg2Sn을 최초로 개발하고 음극으로 제작하였다.

○ 표면분광분석을 통해 반쪽셀 사이클 전후 표면특성을 조사한 결과, 마그네슘이 Mg2Sn에서 2+로 안정하게 유지되고 마그네슘 메탈의 형성이 억제됨을 규명하였다.

○ 최초로 Mg2Sn 음극과 Mg-free인 산화물 양극의 컴비네이션을 통해, 마그네슘 염과 용매로 이루어진 기존 타입의 전해질을 포함한 마그네슘이온전지의 상온 작동을 구현하고 초기 충방전 성능을 획득하였다.

○ 본 연구에서 개발된 Mg2Sn 음극은 다양한 Mg-free 양극소재와의 컴비네이션을 통해 다양한 마그네슘이온전지를 제작할 수 있는 장점이 있다.

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

ㅇ CO2 배출로 인한 기후변화 문제 해결에 기여하기 위해, 무공해 전기자동차, 신재생에너지 연계 스마트그리드 에너지저장시스템, 백-업 에너지저장 장치 개발에 박차가 가해지면서, 관련 차세대/미래 산업에서는 현재 사용되고 있는 리튬이온전지보다 저가, 고에너지, 고안전성 및 장수명 기능을 가지는 대체 에너지저장 장치의 탑재가 전망되고 있다.

ㅇ 제한된 리튬의 지구 자원매장량과 높은 수입 의존도, 기존 리튬이온전지의 에너지밀도 등의 성능적 한계와 중국제품에 의해 촉발된 저가화 경쟁 등 환경적/기술적 한계를 극복할만한 혁신적인 "탈리튬" 이차전지에 대한 연구개발과 원천기술 확보 경쟁이 전세계적으로 치열하다.

ㅇ 마그네슘은 리튬에 비해 안전하고 친환경적이며 지구 및 국내 매장량이 높아 저가화와 자원 국산화가 가능하므로 마그네슘이차전지가 개발된다면 중대형 에너지저장장치에 적용할 수 있다.

2. 연구내용

ㅇ 본 연구에서는 풍부한 자원매장량을 가지는 마그네슘 기반 마그네슘이온전지 구현을 위해 기존 마그네슘 메탈 음극의 한계를 극복하고 대체할 수 있는 신규 음극소재인 Mg2Sn을 최초로 개발하고 음극으로 제작하였다.

ㅇ 최초로 Mg2Sn 음극과 Mg-free인 산화물 양극의 컴비네이션을 통해 마그네슘이온전지를 구현하고 마그네슘 염과 용매로 이루어진 기존 타입의 상온 전해질에서 초기 충방전 성능을 획득하였다.

ㅇ 표면분광분석을 통해 반쪽셀 사이클 전후 표면특성을 조사한 결과, 전기화학적 쉽게 산화되는 마그네슘 메탈 음극 대비, Mg2Sn는 충방전 사이클 중에 Mg가 2+ 산화수가 안정하게 유지되고 마그네슘 메탈의 형성이 억제됨을 규명하였다. 따라서 Mg2Sn 음극과 전해질간 계면안정성과  Mg2Sn의 구조유지성도 확보되었다.

ㅇ 본 연구에서 개발된 Mg2Sn 음극은 다양한 Mg-free 양극소재와의 컴비네이션을 통해 완전셀 마그네슘이온전지를 제작할 수 있으므로, 다양한 마그네슘이온전지의 제작이 가능하고 앞으로 ”탈리튬“ 차세대이차전지 분야에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. Mg2Sn 음극제조시 조성 최적화를 통해 음극의 전기전도도, 용량, 출력 등 다양한 특성을 조절할 수 있기 때문에 향상된 성능의 음극 제작이 가능하다.

3. 기대효과

ㅇ 2+가 양이온 전달에 의한 반응 거동, 전극표면에서 일어하는 전해질의 전기화학적 산화-환원 반응, 양극-음극간 상호작용 등 마그네슘이온전지의 전기화학반응에 미치는 영향 규명을 통해 새로운 배터리화학 학문분야 개척하게 될 것으로 기대된다.

ㅇ 고성능 음극소재 적용분야의 확대를 통해 마그네슘이온전지 관련 시장 창출 가능성을 높이고 기존 전지시스템의 가격 문제 및 발화 문제를 극복하는 고성능 차세대전지 시스템으로의 전환기를 맞이할 수 있다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

기존 리튬이차전지의 환경적/경제적/기술적 한계를 극복할만한 “탈리튬” 차세대 이차전지 연구개발의 필요성이 높아짐에 따라 풍부한 지구자원매장량 및 국내매장량을 가지는 마그네슘원소 기반 마그네슘이차전지에 대한 관심을 갖게 되었다. 그러나 마그네슘 메탈 음극을 사용하는 한, 상대 양극소재 및 전해질 소재 선택의 제한, 이로 인한 작동전압범위의 제한과 전지 작동온도의 제한 등 여러가지 한계가 있었다. 마그네슘 메탈 음극을 사용하지 않기 위해서는 신규 음극소재 개발이 필요하였고 이를 통해 마그네슘이온전지를 구현할 수 있지 않을까하는 생각을 하게 되었고 이에 마그네슘 저장고 역할을 할 수 있는 마그네슘이온 삽입 반응 기반 Mg2Sn 신규 소재를 개발하게 되었다. 또한 Mg2Sn 음극소재를 Mg-free 양극소재와 컴비네이션하므로써, 완전셀 마그네슘이온전지를 제작해보고자 하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

신규 전극소재 성능구현에 있어서 중요한 점이 합성방법의 선택, 전극 제작기술과 전지 구성 소재의 선택이다. 본 연구에서 설계한 소재는 얼로이이므로 건식 합성법인 볼-밀법을 선택해야 했다. 신규 전극소재의 마그네슘셀에서의 전기화학적 특성이 전극의 조성에 따라, 또한 전해질과 양극소재의 종류에 따라 발현되지 않는 경우를 여러 차례 경험하여, 전극제조 조건 정립과 신규소재와 계면호환성을 가지는 전해질소재 설계 및 상호작용을 하는 양극소재 선택에 대해서 고민과 전기화학 테스트를 거듭하였고 이를 통해 전극특성 발현 조건을 정립하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었는지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

리튬이차전지와 전지소재 연구개발을 20년 이상 경험해 왔으나 성능의 고저가 있을 뿐 항상 리튬셀은 작동이 되었다. 이와는 매우 다르게, 마그네슘셀로는 수 회의 충방전 사이클 성능을 획득하기도 매우 어려운 경우가 대부분이었다. 이는 음극-전해질-양극 컴비네이션이 적절하지 않아서였고 따라서 마그네슘 셀을 구성하는 모든 소재를 새로이 선택해야함을 의미하였다. 이러한 문제를 극복하기 위해 신규 음극소재를 개발하고, 이와 호환할 수 있는 전해질 설계 및 선택, 전극제작 조건 정립, 양극소재 선택, 그 외 부품소재와 셀 작동조건을 모두 변경하여 전기화학 특성을 확보할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 마그네슘 메탈 음극의 한계를 극복하고 대체할 수 있는 신규 얼로이 음극소재인 Mg2Sn을 최초로 개발하고 음극으로 제작하였고 반쪽셀에서 ~250mAh/g 용량으로 50회 충방전 성능을 최초로 획득하였다. 최초로 Mg2Sn 음극과 Mg-free인 산화물 양극의 컴비네이션을 통해 마그네슘이온전지를 구현하고 마그네슘 염과 용매로 이루어진 기존 타입의 상온 전해질에서 ~150mAh/g 용량을 내며 초기 충방전 성능을 획득하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

본 연구의 신규 음극과 최적의 호환성을 가지는 전해질-양극 컴비네이션을 통해 마그네슘이온전지를 제작하고 장기간 충방전 사이클 성능을 최초로 구현하여 마그네슘이온전지를 고성능화, 장수명화하고자 한다. 마그네슘이온전지의 새로운 배터리화학 정립하고 상용화하는데 기여하고자 한다.

용 어 설 명

1. 저널 오브 파워 소스즈 (Journal of Power Sources)

○ 인용지수 6.395, JCR top 9.5%의 전기화학 분야 최고 권위의 과학학술지

2. 마그네슘이차전지

○ 리튬 대신 마그네슘을 음극으로 사용한 이차전지. 마그네슘 가격은 리튬 대비 4%, 이론적 단위 부피당 에너지 밀도는 리튬이온전지의 1.7배(마그네슘이차전지 3833mAh/cm3, 리튬이온전지 2205mAh/cm3)

그 림 설 명

(그림1) Mg2Sn 음극의 전기화학적 충방전 사이클 특성

신규 Mg2Sn 음극으로부터의 전기화학적으로 가역적으로 Mg2+ 이온의 탈리 및 삽입반응이 가능함이 반쪽셀의 cyclic voltammetry (왼쪽 그림)와 50회의 정전류 충방전 사이클 테스트(오른쪽 그림)를 통해 구현되었다.

(그림2) 마그네슘이온전지 Mg2Sn//V2O5의 제작과 상온에서의 충방전 성능 구현

신규 Mg2Sn 음극과 Mg-free 양극인 V2O5, 전해질 0.5M Mg(TFSI)2/diglyme으로 구성된 완전셀 마그네슘이온전지 제작을 구현하였고(왼쪽 그림), 상온에서 마그네슘이온전지를 작동시켜 초기 충방전 성능(오른쪽 그림)을 구현하였다.