리튬 대체할 '비수계 망간이온전지' 상용화 물꼬 텄다

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 자원 편중과 가격 변동성이 심한 리튬을 대체해 저렴하고 풍부한 망간을 활용한 차세대 에너지저장장치(ESS)용 '비수계 망간이온전지'의 실제 구동 가능성을 세계 최초 수준으로 검증하는 데 성공했다.

한국연구재단은 세종대학교 명승택 교수 연구팀이 '사불화붕산망간(Mn(BF₄)₂)' 기반의 비수계 전해질을 독자 설계·합성해 물과 전극의 부식 반응을 막고 전지의 안정성과 전기화학적 성능을 확보했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 세계적 국제학술지인 '재료과학 및 공학 보고(Materials Science & Engineering R)'에 온라인 게재됐다.

기존 수계 망간이온전지는 망간 금속이 물과 반응하면서 부식되거나 표면에 불투명 피막이 형성되어 수명이 급격히 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 망간불화물과 삼불화붕소 에터레이트를 아세토니트릴 용매에서 반응시켜 특수 망간염(Mn(BF₄)₂·4CH₃CN) 전해질을 합성해 냈다.

이를 통해 망간 금속의 석출·박리 가역성을 고도화하고 높은 이온전도도를 확보했다.

이번 연구는 단순한 반전지(Half-cell) 수준에 머무르지 않고 양극과 음극, 전해질을 모두 통합한 완전전지(Full-cell) 시스템의 적합성을 검증했다는 점에서 큰 의미를 가진다.

연구팀은 망간화된 비스무트·텔루륨(Bi₅Te₃) 기반 음극과 프러시안블루(NaMnHCF) 양극을 조합한 결과 1.5 V 이상의 작동전압과 70~80 mAh/g의 안정적인 용량을 확보했다.

특히 실제 상용 전지 형태인 파우치셀 제작을 통해서도 250회 이상 안정적인 연속 구동 성과를 입증했다.

명승택 교수는 “이번 연구는 전해질 합성부터 양·음극 후보 소재를 함께 제시해 후속 망간전지 연구의 표준 기준을 마련했다”며 “향후 피막·보호막 설계를 보완하고 수분 관리를 정밀화해 재생에너지 연계형 대용량 ESS 등 상용화의 토대를 마련하겠다”고 설명했다.