일본산업뉴스요약

도쿄이과대, 마그네슘배터리용 정극 개발
충전을 반복할 수 있는 정극 재료, 용량은 리튬이온 상회

도쿄이과대학의 이데모토(井手本) 교수 연구팀은 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 기술로 기대를 받고 있는 ‘마그네슘 배터리’용 정극을 개발하였다. 기존에는 반복하여 충전하는 것은 불가능했지만 망간을 추가함으로써 내구성을 높였다. 이와는 별도로 층상 구조로 함으로써 용량을 늘렸다. 이번에 개발한 정극을 전해액이나 부극과 조합하여 마그네슘 배터리를 시작(試作)하여 개량을 추진할 계획이다.

리튬이온 배터리는 전기자동차(EV)나 스마트폰 등에 널리 사용되고 있다. 이온을 교환함으로써 충전과 방전을 반복한다. 리튬의 경우는 하나의 이온으로 1개의 전자가 움직인다. 마그네슘은 하나의 이온으로 2개의 전자가 움직이기 때문에 용량이 대폭으로 높아질 것으로 기대하고 있다.

연구팀은 리튬이온 배터리용 정극에 사용되는 마그네슘과 코발트의 산화물에 주목. 코발트의 약 20%를 망간으로 대체하였다.

시작한 정극의 성능을 60℃로 해석하면, 충방전을 5회 반복해도 용량을 약 80% 유지할 수 있었다. 기존의 정극 재료의 경우는 방전하면 심하게 열화해 버리는 결점이 있어 반복하여 충전할 수 없었다. 또한 온도를 90℃로 올리면 용량은 약 4배로 높아졌다.

이와는 별도로 니켈도 포함한 리튬이온 배터리용 정극 재료를 약품에 담가 리튬을 빼내고 마그네슘으로 대체하였다. 이 재료는 층상 구조로 되어 있어 틈으로 마그네슘 이온이 출입하기 쉽다.

시작한 전극을 조사한 결과, 용량은 리튬이온 배터리를 웃돌았다. 앞으로 충방전을 반복해도 열화하지 않도록 내구성을 높여 나간다. 또한 간단하게 전극을 제작하는 방법 개발도 추진한다.

앞으로 부극 등 별도의 부재를 개발하는 연구팀과 협력하여 마그네슘 배터리 시작을 목표한다. 태양광이나 풍력 등으로 만든 전기를 축적하는 정치용 배터리에의 응용을 목표로 한다.

지구 상에 자원이 풍부하게 존재한다는 점이나 용량을 쉽게 향상시킬 수 있다는 점 등 마그네슘의 이점은 많다. 리튬이온 배터리 수준의 성능이나 가격을 실현하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

● 충전지의 전극
리튬이온 배터리 등의 축전지는 플러스와 마이너스의 2개의 전극과 전해액으로 구성된다. 충전할 때는 이온이 정극에서 부극으로 이용함으로써 전기를 축적한다. 방전할 때는 이온이 부극에서 정극으로 이동하고 그곳에서 전자를 방출함으로써 전기를 만든다.

이온으로 이용하는 물질을 리튬 이외의 원소로 대체하는 연구가 진행되고 있다. 단, 이온의 크기 등이 다르기 때문에 전용 전극이 필요하다. 적합한 전극 재료를 찾는 연구가 활발하다.

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