세종대, 리튬 의존도 낮출 망간이온전지 구현 가능성 제시 

- 비수계 전해질로 전지 구동 성공

- 차세대 ESS 상용화 기반 마련

사불화붕산망간 기반 비수계 전해질의 개발과 망간이온전지 구현. (자료제공: 한국연구재단)

비수계 전해질을 적용한 망간이온 파우치전지의 성능 검증. (자료제공: 한국연구재단)

국내 연구진이 저렴하고 풍부한 망간을 활용해, 기존 리튬이온전지의 자원 편중과 가격 변동성 문제를 보완할 차세대 에너지저장장치(ESS) 기술을 발전시켰다. 연구진은 망간 전극의 부식을 줄인 비수계 전해질(Non-aqueous Electrolyte) : 물을 용매로 사용하지 않고 유기용매 등을 활용하여 만든 전해질. 물과 전극 반응으로 인한 부식 및 수소 발생 등의 부작용을 줄일 수 있음)을 개발하고, 실제 전지 구동 가능성을 검증했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 명승택 세종대학교 교수 연구팀이 사불화붕산망간(Mn(BF₄)₂) 기반 비수계 전해질을 설계·적용해 비수계 망간이온전지의 작동 가능성 및 시제품 구현 가능성을 검증했다고 5월 4일 밝혔다. 

재생에너지 확대로 저렴하고 안전한 ESS 수요가 증가하고 있다. 망간은 차세대 ESS 소재로 꼽히지만, 기존 수계 전해질에서는 전극 표면에 막이 생겨 성능이 저하되는 한계가 있다. 또한, 비수계 전해질에 적합한 망간염은 비싸고 부식성이 강해 연구가 어려웠다. 

연구팀은 물에 의한 전극 손상을 방지하기 위해 물을 쓰지 않는 ‘사불화붕산망간 기반 비수계 전해질’을 개발했다. 개발된 비수계 전해질은 망간불화물과 삼불화붕소 에터레이트를 아세토니트릴 용매에서 반응시켜 합성한 특수 망간염 ‘Mn(BF4)2·4CH3CN’을 2 모울(M) 농도로 적용했다. 

개발된 전해질은 망간 금속의 부식을 효과적으로 억제하면서도 석출·박리 반응을 안정적으로 구현했으며, 높은 이온전도도와 전기화학적 안정성을 나타냈다. 또한 계산과 분광분석 결과, 망간이온이 아세토니트릴 분자 6개와 안정적으로 결합한 구조임을 규명했다.

개발한 전해질을 실제 전지에 적용한 결과, 망간화된 비스무트·텔루륨(Bi₅Te₃) 기반 음극과 프러시안블루(NaMnHCF) 양극을 조합한 전지가 1.5 V 이상의 작동전압과 70~80 mAh g^-1의 안정적인 용량을 나타냈다. 또한 실제 전지 형태인 파우치셀에서도 250회 이상 안정적으로 구동됐다.

명승택 교수는 “이번 연구는 전해질뿐만 아니라 양·음극 후보 소재를 함께 제시해 후속 망간전지 연구의 설계 기준을 마련하고, 기존의 반전지 성능 평가를 넘어 실제 전지 형태의 구동 가능성을 검증한 데 의의가 있다”라며 “후속 연구에서는 용매와 첨가제, 보호막 설계를 통해 망간의 석출·박리 가역성을 개선하고, 수명과 효율을 높여 상용화의 토대를 마련하겠다”라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발과 중견연구, 그리고 교육부와 한국연구재단이 추진하는 대학중점연구소 사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘재료과학 및 공학 보고(Materials Science & Engineering R)’에 6월 25일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]