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중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정(過程) 연구소 추이광레이(崔光磊) 연구원이 주도하는 "바이오닉스 및 고체 상태 에너지 시스템 연구팀"은 최근 관련 연구를 통해 붕소 베이스 마그네슘 전해질 개발에 성공하였는데 동 전해질은 우수한 가역(可逆) 침적 용해 마그네슘 성능과 Mg2+ 전도 능력을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

마그네슘 양극 소재 연구개발을 추진하는 과정에서 연구팀은 높은 비례의 용량 특성을 보유하고 있는 전환 형태의 양극에 중점을 두고 연구팀이 독자적으로 개발한 붕소 베이스 마그네슘 전해질에 기반 하여 높은 에너지 밀도를 보유하고 있는 마그네슘-황, 마그네슘 셀렌 배터리 개발에 성공하였음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 황, 셀렌 등 양극 속에 금속 구리를 도입하면 양극 측 전기화학 반응 속도와 가역성(可逆性)을 대폭 향상시킬 수 있다는 점을 발견하였으며, 관련 원인 분석을 통해 이런 상황은 금속 구리의 존재가 양극 측 구리 셀렌 화합물과 구리 황화물 생성을 추진하기 때문에 발생하게 된다는 결론을 도출하였으며, 연구팀은 구리 셀렌 화합물과 구리 황화물의 구체적인 마그네슘 저장 메터니즘에 대한 연구를 지속적으로 추진하고 있는 상황임.

최근 연구팀은 관련 연구를 통해 Cu3Se2이라는 구리 셀렌 화합물 양극 속에서 Cu+는 활성 캐리어로서 양극 측의 전기화학 마그네슘화/마그네슘화 제거 과정을 효과적으로 조정 제어한다는 점을 발견하였음.

Cu+는 양극 소재 내부와 인터페이스 위치 액체 위상 전해액 사이에서 신속하고 가역적인 화학 균형을 실현하고, 양극 측에 Cu+/Cu 산화 환원 전기 쌍을 도입하여 Cu+/Cu로 하여금 높은 가역적인 산화 환원 반응을 발생시키는데 이런 반응은 충전과 방전 과정에서의 양극 측 극화(極化) 전압을 낮추고 용량 비례를 향상시키는 것으로 나타났음.

Cu+의 매개 작용을 통해 마그네슘 배터리 양극 반응의 가역 면 용량은 12.5mAh cm-2 수준으로 향상되고, 전극과 전해질 간의 Cu+ 균형도 구리 황화물 혹은 구리 셀렌 화합물 양극 속에서 존재하는데 예를 들면 Cu2S와 Cu2Se 양극 속에서 존재하는 것으로 나타났음.

이런 전기화학 반응 메커니즘에 대한 해석 결과는 높은 비례의 에너지 저장 마그네슘 양극 소재 연구개발 분야에서 중요한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Energy Storage Materials’ ("Selenium sulfide cathode with copper foam interlayer for promising magnesium electrochemistry")지에 게재됨.