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중국과학원 선전 선진기술 연구원 산하 "선진 통합 기술 연구소" 소속 "기능 필름 소재 연구 센터" 탕융빙(唐永炳) 연구원 연구팀은 관련 연구를 통해 불용성(不溶性) 유기 음극 소재에 기반한 마그네슘 베이스 이중 이온 전지 개발에 성공함.

최근 수 년 간, 리튬 이온 전지는 전자 제품, 신에너지 자동차, 에너지 저장 등 분야에서 폭넓게 응용되고 있지만 리튬 자원 매장량의 한계 및 분포의 불균형 특성으로 인해 미래 대규모 에너지 저장에 필요한 저렴한 원가 요구를 충족시킬 수 없을 것으로 예측됨. 반면에 마그네슘 이온 전지는 높은 용량, 풍부한 매장량 등에서 우세를 보이고 있기 때문에 대규모 에너지 저장 분야에서 밝은 전망을 가지고 있음.

하지만 금속 마그네슘 음극은 유기 전해질 속에서 쉽게 패시베이션(passivation) 되기 때문에 마그네슘 이온이 역(逆) 침적/용해가 되지 않으며, 가역(可逆)적인 탈착 마그네슘 이온의 양극 소재가 아직 개발되지 못하였기 때문에 마그네슘 전지 기술 발전은 제약을 받고 있음.

이중 이온 전지의 작업 메커니즘과 결합하게 될 경우 음이온 삽입 층인 흑연 양극의 높은 반응 포텐셜(reaction potential)(>4.5V vs Li+/Li)과 고속 음이온 확산 능력을 이용하여 마그네슘 이온 전지의 작업 전압 및 전기화학 성능을 최대한 향상시킬 수 있음.

이런 상황에서 탕융빙(唐永炳) 연구원 연구팀은 관련 연구를 통해 신형 마그네슘 기반 이중 이온 전지(Mg-DIB)를 개발하였는데 이번 연구에서 연구팀은 3,4,9,10-PTCDI(Perylene tetracarboxylate diimide) 작은 분자 유기 소재를 음극으로 사용하고, 팽창 흑연(EG)을 양극으로 사용하였으며, 마그네슘염을 함유한 이온 액체를 전해질로 사용하였음.

결과, 연구팀이 개발한 신형 마그네슘 기반 이중 이온 전지(Mg-DIB)는 우수한 배율 성능과 순환 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났는데 20C의 고 배율 충전과 발전 용량은 85%를 유지하고, 5C 배율 하에서 500회 순환을 실행한 후의 용량 유지 비율은 95.7%에 달하는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 원 위치 FTIR 등 표면 측정 테스트 및 이온 계산 분석을 통해 PTCDI 마그네슘 저장 메커니즘은 주로 3중 배위 메커니즘(triple coordination mechanism) 및 마그네슘 삽입 과정에서 형성되는 수소 결합에 기인하는 동시에 이런 작은 유기 분자는 양호한 불용성(不溶性)과 구조 안정성을 보유하고 있기 때문에 Mg-DIB의 순환 안정성을 뚜렷이 향상시킨다는 점을 입증하였음.

본 연구 성과는 ‘Energy Storage Materials’ ("Highly stable magnesium-ion-based dual-ion batteries based on insoluble small-molecule organic anode material")지에 게재됨.