마그네슘 배터리

3. 2차 전지

2차 마그네슘 전지는 충전 및 방전 시 Mg²⁺ 이온의 가역적 삽입 및 제거를 통해 작동하며, 리튬 이온 전지를 대체하거나 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.^[1] 마그네슘은 리튬에 비해 에너지 밀도가 높고 덴드라이트 형성이 적어 안전성이 뛰어나다는 장점이 있다.

1990년대부터 오산화 바나듐(V₂O₅), 이황화 티타늄(TiS₂), Ti₂S₄ 등을 음극 재료로 사용하는 연구가 진행되었으나,^[2][3] 방전 상태 불안정성 등의 문제로 어려움을 겪었다. 2000년, 이스라엘 연구진이 염화 알루미늄(AlCl₃)-에테르 전해질에서 덴드라이트가 없는 Mg 도금을 보고하며 새로운 가능성을 제시하였다.^[4]

Mg 이온 배터리는 Mg 금속 양극 대신 Mg²⁺ 이온을 삽입할 수 있는 고체 재료를 사용하며, 주로 수성 또는 기타 극성 전해질을 사용한다. 그러나 Mg 이온 배터리의 상업적 경쟁력은 아직 확인되지 않았다.

2014년 교토 대학 연구팀과 2016년 혼다 기술연구소, 사이타마현 산업기술종합센터는 마그네슘을 사용한 2차 전지 개발에 대한 연구 결과를 발표하는 등,^[68][70] 양극, 음극, 전해질 등 다양한 물질에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

3. 1. 양극 물질

3. 2. 음극 물질

3. 3. 전해질

4. 방전 반응식 (1차 전지)

• 양극: O₂ + 2H₂O + 4e^- -> 4OH^- (E₀ = 0.4 V)
• 음극: 2Mg -> 2Mg²⁺ + 4e^- (E₀ = -2.36 V)

5. 실용화 과제

• 자기 방전을 막기 위해 전해액을 알칼리성으로 하면, 마그네슘 표면과 반응하여 부동태가 되어 버리는 문제가 발생한다. 또한 불필요한 열도 발생한다.^[29]
• 오바마 야스아키가 이끄는 도호쿠 대학 에어로트레인 개발팀은 에어로트레인에 사용한 난연성 마그네슘 합금(마그네슘에 칼슘을 섞은 합금)을 해수에 담가 전지를 만드는 실험을 한 결과, 종래보다 훨씬 오랫동안 전기가 발생하는 것을 발견했다. 이는 마그네슘과 칼슘이 부동태의 원인이 되는 수산화물 이온을 서로 빼앗기 때문에 수산화물 이온이 결합하는 상대를 바꾼 순간에 전극의 마그네슘이 녹아 나오는 현상이 일어나기 때문이다.^[30]
• 현재 상태에서 반응(방전) 속도를 제한하고 있는 것은 마그네슘의 이온화 속도가 아니라 산소의 흡수 속도이며, 대전류를 얻기 위해서는 더욱 고효율적인 산소 흡수를 할 수 있는 공기극 개발이 필요하다.
• 최근 매우 고효율의 공기극 개발이 진행되어, 0.25A/cm², 0.25W/cm²를 실현하여, 종래의 마그네슘 전지의 10배 이상의 성능이 실용화되었다.^[31][32] 이는 1mm 두께의 마그네슘 1장으로, 50cmx50cm 면적의 전지 만으로 625W를 발생시킨다는 놀라운 것이다. 게다가, 원반형 마그네슘이 회전하면서 연료를 공급하는 연료 전지도 특허화되어 있다.^[33] 이 전지라면, 직경 60cm, 높이 50cm로 36kWh를 실현하게 된다. 전지 무게도 불과 24kg으로, 리튬 이온 전지의 1/10으로 예측되고 있다.

6. 사용済み 마그네슘 재활용

기존의 석탄을 사용하는 비존법이나 해수 전기 분해 방식은 환경에 부정적인 영향을 미친다. 이에 대한 대안으로, 야베 타카시 도쿄공업대학 교수는 태양광, 풍력, 지열 등 자연 에너지와 레이저를 이용한 마그네슘 재활용 기술을 2006년에 세계 최초로 제안했다.^[34] 이 공로로 야베 교수는 2009년 미국 타임지에서 '환경의 영웅'으로 선정되었다.^[35] 이러한 시스템은 '마그네슘 문명', '마그네슘 순환 사회'라는 이름으로 서적에 정리되었다.^[36][37]

배터리 방전으로 생성되는 수산화 마그네슘은 안정적인 물질이라 금속 마그네슘으로 재활용하기 쉽지 않다. 촉매와 함께 진공에서 약 2200℃로 가열하여 환원할 수 있는데, 코하마 교수는 태양로를 이용한 마그네슘 재활용을 제안한다.^[38]

태양열을 이용한 마그네슘 재생은 이전부터 연구되어 왔지만, 1995년 머레이 등의 실험에서는 2234도의 고온을 30분간 유지해도 마그네슘 재생 비율이 9%에 불과했다.^[39] 태양열만으로는 마그네슘 생산량이 적고, 대량으로 발생하는 마그네슘 증기가 빛을 도입하는 창에 부착되거나 탄소 환원제 사용 시 이산화탄소가 발생하는 등 해결해야 할 문제가 많아 실용화되지 못하고 있다.^[40]

반면, 야베 타카시 교수 연구팀은 태양광 레이저나 자연 에너지 기반 반도체 레이저를 이용한 마그네슘 재생 기술을 제안하여,^[41] 기존 비존법보다 약 4배 높은 효율을 달성했다.^[42][43]

산화 마그네슘 1g을 4000도로 만드는 데 필요한 에너지는 4kJ이다. 비존법에서는 마그네슘 1g을 만들기 위해 코크스 10g을 사용하며, 이 열량은 300kJ이다. 마그네슘 1g이 발하는 에너지는 25kJ이므로, 이보다 훨씬 큰 에너지를 투입해야 마그네슘을 만들 수 있다. 산화 마그네슘을 마그네슘으로 분해하고 증발시키는 데 추가 에너지가 필요하기 때문에, 4000도 가열 후에도 5배 이상의 에너지를 주어야 마그네슘이 생성된다.

7. 마그네슘 순환 사회 구상

도쿄공업대학의 야베 타카시는 2006년에 마그네슘을 에너지 저장 매체로 활용하고, 사용 후에는 태양광 등 자연 에너지를 이용하여 다시 마그네슘으로 환원하는 "마그네슘 순환 사회" 구상을 제안했다.^[44][45][46]

2007년에는 야베 교수팀이 자동차 등에 사용 가능한 연료 교체형 마그네슘 배터리(마그네슘 연료 전지)를 제안했다.^[47]

2012년에는 필름형 마그네슘 배터리 특허가 성립되었으며,^[48] 고효율, 장시간 사용 가능, 안전성 등 다양한 장점을 가지고 있어 실용화를 향해 크게 전진하고 있다. 이 배터리는 증착된 마그네슘 필름을 테이프 레코더처럼 감아가면서 발전하는 방식이다. 현재 이 배터리는 실용화 단계에 있지만, 실제로 채택하고 있는 대기업명 등은 기업 측의 요청에 의해 비밀로 하고 있다.^[49]

8. 실용화 노력

小濱 泰昭^일본어 (코하마 야스아키)가 이끄는 도호쿠 대학 에어로트레인 개발팀은 에어로트레인에 사용한 난연성 마그네슘 합금(마그네슘에 칼슘을 섞은 합금)을 해수에 담가 전지를 만드는 실험을 한 결과, 종래보다 훨씬 오랫동안 전기가 발생하는 것을 발견했다.^[30]

• 2012년 12월 11일, 도호쿠 대학 미래과학기술공동연구센터(小濱 泰昭^일본어 등)와 후루카와 전지, 산업기술종합연구소 등의 그룹은 마그네슘 배터리를 탑재한 3륜 전기 자동차(EV) 주행 실험을 후쿠시마현 이와키시 - 센다이시 간 약 100km 거리에서 실시하여, 평균 시속 50~55km로 완주했다.^[38][50][51]
• 2013년 12월 20일, 도쿄공업대학의 矢部 孝^일본어 (야베 타카시) 등의 그룹은 필름 모양의 마그네슘을 롤 모양으로 말아, 테이프 레코더와 같은 장치로 조금씩 내보내어 염수와 지속적으로 반응시키고, 염수를 교환하지 않아도 장시간 사용할 수 있는 배터리를 개발하여 자동차 주행 시험에 성공했다.^[53][54]
• 2014년 2월, 후루카와 전지는 톳판 인쇄와 공동 개발한 비상용 마그네슘 공기 전지 "MgBOX"를 도쿄에서 개최된 "제5회 국제 이차 전지 전시회(스마트 에너지 Week2014)"에 출품하여, 실제로 조명을 켜는 시연을 공개했다.^[55]
• 2014년 3월, 니콘은 도호쿠 대학의 小濱 泰昭^일본어 등과 공동으로, 태양열로 마그네슘을 환원하는 실증 실험을 미야자키현의 구 리니어 실험선에서 시작했다.^[55]
• 2014년 6월 10일, 도쿄공업대학의 矢部 孝^일본어가 회장을 맡고 있는 벤처 기업 "에너지 창성 순환"은 명함보다 한 치수 작은 마그네슘 시트를 삽입하면 전기가 발생하는 소형 배터리를 개발했다고 발표했다.^[56][57]
• 2014년 7월 11일, 교토 대학의 内本 喜晴^일본어 (우치모토 요시하루) 등의 그룹은 새로운 양극과 전해액을 개발하여 고성능 리튬 이온 배터리를 능가하는 마그네슘 전지를 개발했다고 영국 과학지 사이언티픽 리포츠에 발표했다.^[59]
• 2014년 7월 29일, 일본 바르카 공업은 공기 마그네슘 전지의 발전 능력이 3배가 되는 정극재를 개발했다고 발표했다.^[60]
• 2014년 8월 29일, 후루카와 전지는 톳판 인쇄와 공동 개발한 물이나 해수를 투입하면 발전하는 대용량 비상용 마그네슘 공기 전지 "마그 박스"의 출시를 발표했다.^[61][62][63]
• 2015년 7월, 矢部 孝^일본어가 회장을 맡고 있는 벤처 기업 "에너지 창성 순환"은 스마트폰용 "마그네슘 배터리"의 시제품을 공개했다.^[64]
• 2015년 12월 10일, 후루카와 전지와 톳판 인쇄는 부피를 1/2로 줄여 가정용으로 용도를 확대한 "마그 박스 슬림"을 출시했다.^[65]
• 2015년 12월 18일, 矢部 孝^일본어는 중국 장쑤성 치둥시에 마그네슘 배터리 생산을 위한 회사 "치둥시 진메이 신에너지 유한공사"를 설립했다.^[66]
• 2017년 1월 27일, 矢部 孝^일본어 등의 그룹은 출력 100W에서 수kW의 마그네슘 연료 전지를 발표했다.^[67]
• 2014년 7월 11일, 교토 대학 연구팀은 리튬 이온 2차 전지를 대체할 수 있는 고에너지 밀도 마그네슘 금속 2차 전지의 개발에 성공했다고 발표했다.^[68]
• 2016년 10월, 혼다 기술연구소와 사이타마현 산업기술종합센터는 세계 최초로 마그네슘을 사용하여 반복 충전이 가능한 2차 전지의 실용화에 대한 전망을 발표했다.^[70]

참조

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