마그네슘 배터리용 비수계 전해질의 분해 전압 확장 기술

마그네슘의 역설: 완벽한 후보의 불완전한 현실

마그네슘 배터리는 종이 위에서는 완벽하다. 마그네슘은 지각에서 여덟 번째로 풍부한 원소로 바닷물에서 쉽게 얻을 수 있고, 가격은 리튬의 1/20 수준이다. Mg²⁺는 2개의 전자를 주고받아 이론적으로 같은 부피에서 리튬의 2배 에너지를 저장할 수 있다. 게다가 리튬처럼 덴드라이트도 형성하지 않아서 안전하다.

 

그런데 왜 아직 상용화되지 않았을까? 답은 한 마디로 "전해질의 배신" 때문이다. 리튬이온 배터리에서 당연하게 여겨지는 4V급 전압이 마그네슘 배터리에서는 꿈같은 이야기다. 대부분의 전해질이 2.5-3V에서 분해되어 버리기 때문이다.

 

이 문제의 뿌리는 마그네슘의 +2가 전하에 있다. Mg²⁺는 Li⁺보다 전하밀도가 3배나 높아서 전해질 분자들과 훨씬 강하게 상호작용한다. 특히 음이온들과는 거의 이온쌍을 이루며 결합한다. 문제는 이런 강한 결합이 전해질의 전기화학적 안정성을 크게 떨어뜨린다는 점이다.

 

2005년 이스라엘 Bar-Ilan 대학의 Doron Aurbach 교수팀이 처음 이 문제를 체계적으로 분석했을 때, 기존 리튬용 전해질들은 모두 2V 이하에서 분해됐다. 그나마 가장 안정했던 에테르 기반 전해질도 2.5V가 한계였다. 4V급 양극재를 쓰려면 최소 4.5V까지는 안정해야 하는데, 절망적인 차이였다.

 

 

분자 설계자들의 도전: 전압의 벽을 넘어서

전해질의 분해 전압을 높이는 것은 마치 댐의 높이를 높이는 것과 같다. 전자가 넘쳐흘러 반응을 일으키기 전까지 견딜 수 있는 전압의 한계를 끌어올려야 한다. 이를 위해서는 전해질 분자의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위를 낮춰야 한다. 간단히 말하면, 전자들을 더 단단히 붙잡고 있을 수 있는 분자를 설계해야 한다.

 

첫 번째 돌파구는 불소였다. 2012년 도쿄대학 연구진이 플루오르화 에테르 용매를 시도했을 때, 분해 전압이 3.5V까지 올라갔다. 불소는 전기음성도가 가장 큰 원소(4.0)라서 전자를 강력하게 끌어당긴다. 마치 강력한 자석이 쇠구슬을 붙잡는 것처럼 전자들을 안정화시킨다.

 

하지만 불소만으로는 충분하지 않았다. 플루오르화 용매는 비싸고(일반 용매의 10-50배), 마그네슘 염의 용해도가 떨어졌다. 더 심각한 건 점도가 너무 높아져서 이온 이동이 어려워진다는 점이었다. 40°C로 가열해야 겨우 1mS/cm의 이온전도도를 얻을 수 있었다.

 

진짜 게임 체인저는 2018년 독일 율리히 연구소에서 나왔다. 니트릴(nitrile) 그룹을 도입한 용매였다. 아세토니트릴(CH₃CN)의 시아노기(-CN)는 강한 전자 끌어당김 효과를 가지면서도 분자량이 작아 점도 문제를 해결했다. 더 놀라운 건 마그네슘 이온과의 배위 결합이 적절해서 이온 해리를 방해하지 않는다는 점이었다.

 

아디포니트릴(NC-(CH₂)₄-CN) 기반 전해질에서는 드디어 4.2V의 분해 전압을 달성했다. 양쪽 끝의 시아노기가 협력해서 전자 밀도를 낮추고, 중간의 알킬 사슬이 유연성을 제공하는 절묘한 조합이었다. 마침내 마그네슘 배터리도 고전압 양극재를 사용할 가능성이 열린 것이다.

 

염의 혁명: 음이온이 만드는 기적

용매만큼 중요한 게 염(salt)이다. 마그네슘 배터리 초기에는 간단한 염들(MgCl₂, Mg(ClO₄)₂)을 시도했지만 결과는 참담했다. 염소 이온이 알루미늄 집전체를 부식시키고, 과염소산 이온은 폭발 위험이 있었다. 무엇보다 이들 염에서는 마그네슘의 가역적 석출-용해가 거의 일어나지 않았다.

 

혁신은 복잡한 음이온에서 나왔다. 2014년 독일 카를스루에 공과대학의 연구진이 개발한 bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TFSI⁻) 음이온은 마그네슘 배터리 역사를 바꿨다. TFSI⁻는 두 개의 강력한 전자 끌어당김 그룹이 질소로 연결된 구조로, 매우 안정하면서도 마그네슘과의 결합은 적절히 약하다.

 

Mg(TFSI)₂를 디글라임(G2) 용매에 녹인 전해질은 0.8V vs Mg/Mg²⁺에서 마그네슘의 가역적 석출-용해를 보였다. 98%가 넘는 쿨롱 효율이었다. 더 놀라운 건 이 전해질의 산화 안정성이 3.8V까지 확장된다는 점이었다. 아직 4V에는 못 미치지만 기존 대비 엄청난 진전이었다.

 

하지만 TFSI 기반 전해질도 한계가 있었다. 알루미늄 집전체와 반응해서 부식을 일으켰다. 양극에서 알루미늄을 쓸 수 없다면 배터리 설계가 크게 제약받는다. 해결책은 첨가제에서 나왔다. 소량의 리튬 염(LiCl, LiBr)을 넣으면 알루미늄 표면에 보호막이 형성되어 부식을 막을 수 있었다.

 

2022년 도요타 연구소에서는 더 혁신적인 접근을 시도했다. 음이온 자체를 고분자화한 것이다. poly-TFSI 음이온은 일반 TFSI보다 훨씬 안정하면서도 알루미늄 부식 문제가 없었다. 분해 전압도 4.5V까지 확장됐다. 단점은 점도가 높아서 60°C 이상에서 사용해야 한다는 점이었다.

나노 세계의 전쟁: 계면에서 벌어지는 미시적 드라마

전해질이 아무리 좋아도 전극-전해질 계면에서 문제가 생기면 소용없다. 마그네슘 배터리의 가장 큰 약점이 바로 여기에 있다. 양극에서 고전압 충전을 하면 전해질이 산화 분해되면서 절연성 피막을 만든다. 이 피막이 마그네슘 이온의 이동을 막아버린다.

 

문제의 핵심은 마그네슘 이온의 크기와 전하다. Mg²⁺의 이온 반지름(0.72Å)은 Li⁺(0.76Å)보다 작지만, +2가 전하 때문에 전하밀도가 훨씬 크다. 전극 물질에 삽입될 때 격자에 가하는 스트레스가 Li⁺의 4배나 된다. 몇 번의 충방전만으로도 격자가 변형되거나 균열이 생긴다.

 

2020년 MIT 연구진이 in-situ X선 회절로 관찰한 결과는 충격적이었다. V₂O₅ 양극재에서 마그네슘 이온이 삽입될 때마다 층간 간격이 15% 이상 변했다. 리튬 이온의 2-3%와 비교하면 엄청난 구조 변화였다. 10사이클 후에는 원래 결정구조를 거의 찾아볼 수 없을 정도였다.

 

해결책은 "완충 구조"였다. 2023년 서울대 연구진은 흑연과 유사한 층상 구조 사이에 물 분자를 미리 삽입한 "수화 인터칼레이션" 개념을 제안했다. 물 분자가 쿠션 역할을 해서 마그네슘 이온의 삽입 스트레스를 완화시킨다. Mo₆S₈·nH₂O 구조에서 500사이클 이상 안정한 충방전을 달성했다.

 

또 다른 접근은 "전환 반응"이다. 삽입 대신 전극 물질 전체가 화학적으로 변환되는 반응을 이용하는 것이다. MoS₂ → Mo + MgS 같은 반응에서는 구조 제약이 없어서 더 자유롭다. 하지만 가역성을 확보하는 게 까다롭고, 부피 변화가 커서 전극이 부서지기 쉽다.

 

현실과 이상 사이: 2025년의 마그네슘 배터리

2025년 현재, 마그네슘 배터리는 여전히 연구실 단계에 머물러 있다. 하지만 진전의 속도는 가속화되고 있다. 전 세계 50여 개 연구 그룹이 마그네슘 배터리 개발에 매진하고 있고, 특허 출원 건수도 매년 2배씩 늘고 있다.

 

가장 유망한 단기 응용 분야는 대용량 정치형 에너지저장장치(ESS)다. 무게보다는 안전성과 비용이 중요한 분야에서 마그네슘의 장점이 빛날 수 있다. 특히 계절간 저장용 장기 ESS에서는 자가방전이 적고 수명이 긴 마그네슘 배터리의 특성이 유리하다.

 

기술적으로는 4V 분해 전압의 벽을 넘는 것이 당면 과제다. 현재까지 달성한 최고 분해 전압은 4.2V 수준으로, 실용적인 고전압 양극재(4.5V 이상)를 쓰기에는 여전히 부족하다. 2025년 목표는 4.8V 분해 전압 달성이다.

 

그럼에도 낙관적인 신호들이 나타나고 있다. 도요타는 2030년까지 시제품을 개발하겠다고 발표했고, 중국 CATL도 마그네슘 배터리 연구에 대규모 투자를 시작했다. 독일 정부는 "마그네슘 이니셔티브"를 통해 2027년까지 1억 유로를 투입한다고 밝혔다.

 

마그네슘 배터리의 미래는 전해질 분자 하나하나의 설계에 달려 있다. 완벽한 이론적 잠재력과 불완전한 현실 사이의 간극을 메우는 열쇠가 바로 그 분자들의 미시적 상호작용 속에 숨어 있다. 언젠가는 그 비밀이 풀리는 날이 올 것이다.