[로이슈 전여송 기자] 국내 연구진이 망간 기반 차세대 에너지저장장치(ESS)의 성능을 높일 수 있는 비수계 전해질을 개발하고 실제 전지 구동 가능성을 확인했다.

한국연구재단은 세종대학교 명승택 교수 연구팀이 사불화붕산망간(Mn(BF4)₂) 기반 비수계 전해질을 설계·적용해 비수계 망간이온전지의 작동 가능성과 시제품 구현 가능성을 검증했다고 4일 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업, 중견연구사업, 교육부와 한국연구재단의 대학중점연구소사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 지난 6월 25일 재료과학 분야 국제학술지 'Materials Science & Engineering R'에 온라인 게재됐다.

재생에너지 확대에 따라 저렴하고 안전한 에너지저장장치 수요가 증가하는 가운데 망간은 차세대 에너지저장장치 소재로 주목받고 있다. 다만 기존 수계 전해질에서는 전극 표면에 막이 형성돼 성능이 저하되고, 비수계 전해질에 사용하는 기존 망간염은 가격이 높고 부식성이 강한 한계가 있었다.

연구팀은 물 대신 유기용매를 사용하는 사불화붕산망간 기반 비수계 전해질을 개발했다. 이 전해질은 망간불화물과 삼불화붕소 에터레이트를 아세토니트릴 용매에서 반응시켜 합성한 망간염 'Mn(BF4)₂·4CH3CN'을 2몰 농도로 적용했다.

연구팀에 따르면 개발한 전해질은 망간 금속의 부식을 억제하면서도 충·방전 과정에서의 석출·박리 반응을 안정적으로 구현했다. 또한 높은 이온전도도와 전기화학적 안정성을 보였으며, 계산과 분광분석을 통해 망간이온이 아세토니트릴 분자 6개와 안정적으로 결합한 구조도 확인했다.

개발한 전해질을 적용한 전지는 망간화된 비스무트·텔루륨(Bi5Te3) 기반 음극과 프러시안블루(NaMnHCF) 양극 조합에서 1.5V 이상의 작동전압과 70~80mAh g-1의 안정적인 용량을 나타냈다. 실제 전지 형태인 파우치셀에서는 250회 이상 안정적으로 구동됐다고 연구팀은 설명했다.

명승택 세종대학교 교수는 "이번 연구는 전해질뿐 아니라 양·음극 후보 소재를 함께 제시해 후속 망간전지 연구의 설계 기준을 마련하고, 반전지 성능 평가를 넘어 실제 전지 형태의 구동 가능성을 검증했다는 데 의미가 있다"며 "후속 연구에서는 용매와 첨가제, 보호막 설계를 통해 망간의 석출·박리 가역성을 개선하고 수명과 효율을 높여 상용화 기반을 마련하겠다"고 말했다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr