[더테크 이지영 기자]  전기차와 에너지저장장치(ESS)에 사용되는 리튬이온배터리의 대안으로 주목받아온 마그네슘 배터리가 상용화의 핵심 장벽을 넘어설 기술적 전기를 맞았다. 공정 단순화와 비용 절감, 안전성 확보를 동시에 구현할 수 있는 ‘대기 안정형 금속 음극’ 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구센터 오시형 박사 연구팀이 마그네슘 금속을 특수 용액에 15분간 담그는 간단한 공정만으로, 일반 대기 환경에서도 안정적으로 작동하는 금속 음극을 구현했다고 밝혔다.

마그네슘 배터리는 풍부한 자원과 낮은 비용, 높은 부피당 에너지 밀도를 갖춘 차세대 전지로 평가되지만, 수분에 극도로 취약하다는 한계가 있었다. 극미량의 수분만으로도 전극 표면에 반응을 차단하는 막이 형성되며, 기존에는 이를 막기 위해 고도 건조 환경과 복잡한 공정이 필수적이었다.

연구팀은 기존 ‘수분 차단’ 접근에서 벗어나, 유입된 수분을 능동적으로 제거하는 전략을 적용했다. 마그네슘 금속을 ‘트리메틸인산(TMP)’ 용액에 침지하면 나노 구조 보호층이 형성되고, 이 층이 수분을 화학적으로 분해하거나 물리적으로 포획해 전극 반응을 유지하는 방식이다.

성능 검증 결과, 기존 전극이 수십 ppm 수준의 미량 수분에서도 작동이 불가능했던 것과 달리, 이번에 개발된 전극은 6,500ppm 이상의 고수분 환경에서도 안정적인 충·방전을 유지했다. 특히 1,050ppm 조건에서는 1,200시간 이상의 장기 구동에서도 성능 저하 없이 작동했다. 또한 수분과 산소를 완전히 차단한 특수 장비 없이 일반 대기 환경에서 조립한 전지도 정상 작동해 실제 제조 공정 적용 가능성을 입증했다.

이번 기술은 공정 혁신 측면에서도 의미가 크다. 복잡한 건조 설비 없이 단순 침지 공정만으로 구현 가능해 생산 단가 절감과 대량 생산 확장이 동시에 가능하다. 더불어 ‘능동적 수분 제어’ 개념은 마그네슘뿐 아니라 수분에 민감한 다양한 금속 전지에도 적용될 수 있어 산업 전반으로의 확장성도 기대된다.

오시형 박사는 “기존의 수동적 수분 차단 방식에서 벗어나 능동적 제어 개념을 적용함으로써 마그네슘 배터리 상용화의 핵심 장애 요인을 해결했다”며 “향후 관련 연구와 산업 적용을 크게 촉진하는 계기가 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등 주요 국가 연구개발 사업 지원을 통해 수행됐다.