한국과학기술연구원(KIST) 연구팀이 마그네슘 배터리 음극의 고질적인 수분 취약점을 극복하는 기술을 개발했다. 특수 용액에 단 15분 침지하는 방식으로 대기 중에서도 안정적인 충·방전 성능을 확보했다. 이는 차세대 배터리로 주목받는 마그네슘 전지의 상용화에 중요한 진전을 이뤘다는 평가다.

▲ 마그네슘 배터리, 고질적 수분 문제 해결

마그네슘 배터리는 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 에너지 저장 장치로서 높은 잠재력을 보유하고 있다. 지구상에 풍부하게 존재하는 마그네슘은 안정적인 공급이 가능하며, 부피당 에너지 밀도가 높아 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS) 등 고용량 및 고출력을 요구하는 분야에 특히 유리하다. 그러나 마그네슘 배터리의 상용화를 가로막는 가장 큰 걸림돌은 전극의 고질적인 수분 취약성이었다. 극미량의 수분에도 마그네슘 음극 표면에 부동태 막(passivation layer)이 순식간에 형성되어 전기가 흐르는 반응 자체를 방해했다. 이 문제를 해결하기 위해 기존에는 수십억 원대의 설비 투자가 필요한 초고도 건조 시설과 복잡한 공정이 필수적이었으며, 이는 배터리 제조 비용을 폭증시키고 대량 생산을 어렵게 만드는 주요 요인으로 작용했다. 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 오시형 책임연구원 연구팀이 이러한 기술적 난제를 극복할 획기적인 해법을 제시했다.

▲ 15분 침지로 대기 중 안정성 확보

KIST 연구팀은 수분을 원천 차단하는 기존의 '수동적' 접근 방식을 넘어, 유입된 수분을 능동적으로 제어하는 새로운 전략을 택했다. 연구팀은 마그네슘 금속을 특정 조성의 트리메틸인산(TMP) 용액에 단 15분 동안 담그는 간단한 침지 공정을 개발했다. 이 과정을 통해 마그네슘 음극 표면에는 독특한 나노 구조의 보호층이 형성된다. 이 보호층은 단순히 수분을 막는 데 그치지 않고, 침투한 수분을 화학적으로 분해하거나 물리적으로 가두어 무해하게 만드는 기능을 수행한다. 이러한 능동적 수분 제어 메커니즘 덕분에, 마그네슘 전극은 더 이상 극도로 건조한 환경에 구애받지 않고 일반 대기 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있는 기반을 마련했다. 이는 마그네슘 배터리 제조의 패러다임을 바꿀 중요한 진전으로 평가된다.

▲ 고습 환경 6,500ppm 이상서도 성능 유지

새롭게 개발된 마그네슘 전극의 성능은 여러 테스트를 통해 입증되었다. 기존 마그네슘 전극이 건조한 공기 속 극미량의 수분에도 즉각적인 작동 불능 상태에 빠졌던 것과 대조적으로, KIST 연구팀의 전극은 습한 실내 공기 수준을 넘어서는 6,500ppm(parts per million) 이상의 고습 전해질 환경에서도 안정적인 충·방전 특성을 유지했다. 특히 1,050ppm의 상대적으로 습한 조건에서도 1,200시간 이상 장기간 구동하는 동안 초기 성능 저하 없이 안정적인 작동을 지속하는 뛰어난 내구성을 보였다. 더욱 놀라운 점은, 복잡한 건조 시설 없이 일반 대기 중에서 조립된 마그네슘 전지조차도 정상적으로 작동하는 결과를 도출했다는 것이다. 이는 마그네슘 배터리 생산 과정의 단순화를 통해 양산성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 시사한다.

▲ 상용화 기대감 고조, 연구 확산 가속화 전망

오시형 책임연구원은 이번 기술 개발이 "수분 제어를 위한 복잡한 공정으로 인해 연구 확산에 제약이 존재했던 마그네슘 배터리 분야에 획기적인 전환점이 될 것"이라고 강조했다. 그는 이어 "수분을 차단하는 수동적 방식에서 벗어나 능동적으로 수분을 제어하는 개념을 도입함으로써 마그네슘 배터리 상용화의 주요 장애 요인을 극복했다"고 설명했다. 이번 연구 결과는 지난 3월 9일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재되며 그 학술적 가치를 인정받았다. 이 기술은 마그네슘 배터리의 제조 비용을 절감하고 생산 공정을 단순화하여, 2026년 4월 9일 현재 차세대 전지로의 상용화 가능성을 크게 높이고 있다. 향후 전기차, 스마트 기기, 대규모 에너지 저장 장치 등 다양한 분야에서 마그네슘 배터리의 적용이 가속화될 것으로 전망된다.