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​토호쿠(東北)대학 금속재료연구소, 나고야(名古屋)공업대학, 도쿄(東京)도립대학 등의 공동 연구그룹이 차세대 축전지의 유력 후보인 마그네슘(Mg) 축전지의 고성능화를 실현하는 새로운 양(+)극 재료의 개발 지침을 발견함.

저렴하고 풍부한 원소를 이용한 고에너지 밀도를 갖는 차세대 전지로서 마그네슘(Mg) 축전지가 유력시되고 있음. Mg 전지는 기존 리튬(Li) 이온 배터리에 사용되는 흑연의 약 6배의 이론 용량을 갖는 Mg 금속을 음(-)극에 이용할 수 있음. 하지만 2가의 Mg 이온을 가역적으로 삽입·탈리(각각 방전·충전 대응) 할 수 있는 고성능 양극 재료의 개발이 어려워, Mg 전지의 고성능화 실현이 지연되었음.

연구진은 사이클 열화를 억제하기 위하여 Mg 이온의 새로운 확산 경로 및 수납 사이트를 도입하는 것을 목적으로, 기존의 스피넬형 구조(spinel structure)인 8면체 사이트에 양이온(cation) 결손을 갖는‘결함 스피넬형 구조’에 주목함. 스피넬형 구조를 안정화시키는 아연(Zn), 고가수인 4가에서도 안정적인 망간(Mn)을 이용한 Zn-Mn계 결함 스피넬형 산화물인 ZnMnO3을 이용함으로써, 높은 전위(2~3 볼트 급)·고용량(약 100mAh/g)을 유지하면서 기존의 재료를 크게 능가하는 높은 사이클 특성을 실현하는 데 성공함. 또한 이러한 높은 사이클 특성이 실현되는 구조를 계산 및 실험을 통해 상세하게 분석함.

본 연구 성과는 오랜 과제였던 Mg 축전지용 양극의 고성능화 길을 개척하는 것으로, 향후 고에너지 밀도를 갖는 Mg 축전지를 실현하는 데 기여할 것으로 기대됨.

한편, 현재로서는 작동 온도가 높아, 실온 작동을 위해서는 재료 설계를 통한 성능 향상이 필요하지만, 중온에서 작동(100~150℃)하는 안전·안심할 수 있는 대형 축전지로서의 이용도 유망함. Mg 축전지에 적합한 산화물계 양극 재료의 일반적인 설계 지침이 제시 된 바, 향후 파생된 재료 개발이 세계적으로 활발히 이루어질 것으로 예측됨.

본 연구 성과는 Advanced Materials (Structure Design of Long-Life Spinel-Oxide Cathode Materials for Magnesium Rechargeable Batteries)에 게재됨.