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일본‧유럽‧미국, 리튬 대체 마그네슘 배터리 개발 박차

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일본‧유럽‧미국, 리튬 대체 마그네슘 배터리 개발 박차

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마그네슘 이온 배터리가 리튬 이온 배터리의 대안으로 떠오르고 있다. 자료=글로벌이코노믹
리튬 이온 배터리에서 새로운 배터리로 교체하려는 움직임이 일본, EU, 미국에서 활발하게 일어나고 있다. 연구원들은 마그네슘, 아연 및 기타 물질의 에너지 밀도를 실험하고 있다.

현재까지 리튬 배터리가 전기차 시장을 석권하고 있다. 그러나 리튬은 비싸다. 이에 3년 동안 시장을 장악해 온 리튬 이온 배터리의 한계가 명확해지자 이를 대체할 새로운 배터리를 만드는 데 경쟁이 가속화되고 있는 것이다.

대안으로 모색되는 것이 마그네슘 이온 기술이다. 아연 이온 기술도 대안으로 부상하고 있다. 실현 가능한 시간은 2030년 이후로 전망된다. 도쿄도립대학교 가나무라 기요시(Kiyoshi Kanamura) 교수는 양극에 산화망간을 사용하는 배터리와 음극에 마그네슘 금속을 함유하는 배터리를 개발하고 있다.

유럽위원회 지원 아래 케임브리지 대학, 덴마크와 이스라엘의 공학 대학뿐만 아니라 독일과 스페인 연구 기관에서도 유럽 마그네슘 인터랙티브 배터리 커뮤니티(E-MAGIC)를 형성했다.

이 컨소시엄은 차세대 고에너지 밀도 및 환경 친화적인 충전식 마그네슘 배터리에 대한 과학적 및 기술적 접근 방식을 개발하는 것이 목표다.

유럽 연합의 재정적 지원을 통해 1000와트 에너지 밀도를 마그네슘 이온 배터리로 만들 예정인데 이는 소니가 1991년에 처음 상용화한 리튬 이온 배터리의 두 배다.

리튬 이온 배터리가 시장을 석권한 것은 3년 전이다. 니켈 수소 및 납산 배터리보다 훨씬 더 많은 저장 용량을 제공했다. 노트북, 아이팟과 스마트폰에 이어 전기차와 제트 라이너에도 사용되었다. 주요 리튬 이온을 발견한 연구원은 2019년에 노벨화학상을 수상했다.

이 기술의 주요 약점은 리튬 재료가 비싸다는 것이다. 리튬 이온 배터리는 태블릿에 전력을 공급하는 데 있어 괜찮지만, 인류가 재생 가능 에너지원에 대한 의존이 늘어나자 훨씬 더 많은 양의 전기를 저장할 수 있는 기술이 필요하게 되었다.
인류가 화석 연료에 대한 의존도를 낮추고 지구 온난화를 늦추려면 재생 에너지에 대한 사용을 늘리고 전기를 저장할 수 있는 시스템 가격이 내려가야 한다. 그리고 이런 시스템의 가장 비싼 구성 요소가 바로 배터리다.

글로벌 배터리 제조업체가 의존하는 리튬 이온 배터리 주요 재료인 리튬 및 코발트, 공급이 제한되어 있다. 입증된 리튬 매장량은 1600만 톤, 코발트는 700만 톤이지만 배터리 생산에 모두 사용할 수 있는 것은 아니다.

이에, E-매직(E-Magic)은 마그네슘을 대안으로 설정했다. 관련 비용은 리튬보다 낮다. 마그네슘 이온 셀은 음극에 마그네슘 금속을 사용한다.

마그네슘 이온은 셀 내부로 이동하면서 두 개의 전자를 운반한다. 다중 충전 이온은 충전 및 방전에 더 많은 전자를 사용할 수 있도록 리튬 이온을 사용하여 셀의 용량을 두 배로 달성할 수 있으며, 각각은 하나의 전자만 운반한다.

E-매직은 마그네슘 이온 배터리의 충전, 방전 주기를 500회 이상 반복하는 데 성공한 것으로 알려졌다.

E-매직은 이온을 운반하는 전해질 용액의 품질을 개선하고 보다 효율적인 전극 재료를 마련하고자 실험 중이다.

미국에서는 북미 도요타 연구소와 휴스턴 대학의 연구원들이 양성 전극에 유기 화합물이 사용되고 붕소 덩어리가 전해질에 사용되는 새로운 유형의 마그네슘 이온 배터리를 개발 중이다.

현재 시점에서 배터리의 충전 주기는 200을 조금 넘는다. 이는 많지는 않지만 높은 안정성을 갖춘 고성능 배터리를 개발하는 방향을 보여 준다.

마그네슘과 마찬가지로 아연도 주목받고 있다. 일본 도호쿠대학 혼마 이타루 교수가 개발한 새로운 유형의 아연 이온 배터리는 전해질용 유기 용매 대신 수성 용액을 사용한다. 리튬 이온 배터리의 문제가 된 배터리에 화재가 날 위험성이 거의 없다.

연구원들은 실험실에서 성공한 재생 에너지 원에서 전기를 저장하는 데 사용할 수 있도록 배터리 연구 성과를 대량 제조업체에 기술을 전송하는 것을 목표로 한다.

리튬 이온 배터리의 대안은 저렴하고 내구성이 뛰어나야 한다. 따라서 새로운 전극 모양에 대한 아이디어를 고안하는 것이 아니라 전극에 사용할 후보 요소를 식별하는 것이 필수다.

리튬 이온 배터리를 개발한 것은 일본이지만 시장에서 선두를 달리고 있는 기업은 중국의 CATL, 한국의 LG에너지솔루션 등이다. 새로운 재료가 개발되고 대량생산에 성공할 경우 머지않은 장래에 선두는 언제든지 바뀔 수 있다. 기술 혁신이 답이다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com