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[표지로 읽는 과학] 리튬 배터리 대안 마그네슘 배터리 만들 새로운 전해질

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[표지로 읽는 과학] 리튬 배터리 대안 마그네슘 배터리 만들 새로운 전해질

2021.10.10 12:27
사이언스 제공
사이언스 제공

국제학술지 사이언스는 배터리 속에서 격자로 표현된 음극을 떠다니는 알록달록한 화학 분자의 모습을 8일 표지로 실었다. 노란색 마그네슘을 속에 감춘 아민 분자 기반의 화합물이 고전압 산화망간 음극 위에서 반응하는 모습이다. 배터리에는 주로 이온화되면 전자를 하나 방출하는 리튬과 같은 1족 원소가 쓰인다. 하지만 마그네슘은 여기 속하지 않는 원소다.

 

올렉 보로딘 미국 군사연구소 배터리과학분과 연구원과 왕천쉥 미국 메릴랜드대 화학 및 분자생물학부 교수 공동연구팀은 아민 기반 킬레이트를 배터리 전해질로 사용하는 방법을 통해 마그네슘 이온 배터리의 에너지밀도를 kg당 412Wh의 높은 수준으로 만드는 데 성공했다고 8일 사이언스에 발표했다.

 

마그네슘이 속한 2족 원소는 주기율표의 두 번째 줄에 있는 화학 원소들을 뜻한다. 전자 2개를 잃고 양이온이 되는 원소다. 가장 잘 알려진 것은 칼슘과 마그네슘이다. 배터리에 주로 쓰이는 리튬보다 지구상에 훨씬 풍부한 소재들이다.

 

문제는 2족 원소로 배터리를 만들면 작동 전압이 낮고 충방전 효율도 떨어진다는 점이다. 2족 원소로 만들어진 음극으로 전해질이 옮겨가 표면에 달라붙어 부도체층 역할을 하는 문제도 있었다. 리튬이차전지와 같이 염과 유기용매로 구성된 전해질을 사용하면 상온에서 작동이 잘 안되는 문제도 있었다.

 

연구팀은 양이온과 서로 반응하는 킬레이트 분자를 새로운 전해질로 활용했다. 킬레이트는 집게처럼 생긴 구조를 지닌 분자로 집게 끝부분으로 물체를 잡듯 금속이온과 결합하는 화합물이다. 킬레이트가 강력하게 양이온과 상호작용하면서 전자를 쉽게 방출하게 해 배터리의 전하 이동속도를 크게 높였다. 그러면서도 음극 소재와는 반응하지 않아 계속된 충방전에서도 효율이 떨어지지 않도록 했다.

 

연구팀은 이번에 개발한 전해질이 마그네슘이온 배터리 뿐 아니라 칼슘이온 배터리에서도 안정적인 성능을 보이는 것을 확인했다. 왕 교수는 “이번 연구는 작동 가능하면서도 재충전도 가능한 배터리를 만들기 위해 2족 원소를 활용하는 새로운 설계 전략을 제시한다”고 말했다.

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