리튬 대안으로 망간 주목…국내 연구진, 비수계 전지 구동 검증

리튬 의존도를 낮출 대용량 에너지저장장치(ESS) 후보로 꼽히는 망간이온전지의 실제 구동 가능성이 국내 연구진에 의해 제시됐다. 물 대신 유기용매를 쓰는 비수계 전해질을 적용해 망간 전극의 부식 문제를 줄이고, 파우치셀 형태에서도 250회 이상 작동을 확인했다.

한국연구재단은 세종대학교 명승택 교수 연구팀이 사불화붕산망간(Mn(BF4)2) 기반 비수계 전해질을 설계해 망간이온전지에 적용했다고 밝혔다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Materials Science & Engineering R’에 6월 25일 온라인 게재됐다.


재생에너지 발전 비중이 커지면서 전력을 저장했다가 필요할 때 공급하는 ESS의 중요성도 높아지고 있다. 현재 ESS 시장은 리튬이온전지가 주도하지만, 특정 지역에 집중된 리튬 자원과 가격 변동성은 장기적인 공급 부담으로 지목된다. 망간은 상대적으로 풍부하고 가격 부담이 낮으며 독성도 낮아 대안 소재로 연구돼 왔다.

문제는 전해질이었다. 기존 망간이온전지는 물을 기반으로 한 수계 전해질을 주로 사용해 왔다. 이 경우 망간 금속이 물과 반응하면서 전극 표면에 산화물·수산화물 피막이 생기고, 수소 발생과 부식으로 성능이 떨어질 수 있다. 비수계 방식은 이런 반응을 피할 수 있지만, 적합한 망간염의 가격이나 부식성 등이 걸림돌이었다.

연구팀은 망간불화물과 삼불화붕소 에터레이트를 아세토니트릴 용매에서 반응시켜 특수 망간염인 ‘Mn(BF4)2·4CH3CN’을 합성했다. 이를 2몰 농도로 적용한 전해질은 망간 금속의 부식을 억제하면서 충전·방전 과정에서 필요한 망간의 석출·박리 반응을 안정적으로 구현했다.

석출·박리는 충전할 때 금속 이온이 전극에 쌓이고, 방전할 때 다시 전해질로 녹아 나오는 과정이다. 이 반응의 안정성은 금속전지의 수명과 효율에 직접 영향을 준다. 연구진은 계산과 분광 분석을 통해 망간이온이 아세토니트릴 분자 6개와 결합한 상태로 안정적으로 존재한다는 점도 확인했다.

전지 성능 검증에는 망간화된 비스무트·텔루륨(Bi5Te3) 기반 음극과 프러시안블루 계열 NaMnHCF 양극을 조합했다. 이 전지는 1.5V 이상의 작동전압과 70~80mAh/g 수준의 용량을 보였으며, 실제 전지에 가까운 파우치셀에서도 250회 이상 구동했다.

이번 성과는 전해질 성능만 평가하는 반전지 실험에 그치지 않고, 양극과 음극을 갖춘 전지 및 파우치셀 단위의 작동 가능성을 확인했다는 데 의미가 있다. 다만 ESS 상용화를 위해서는 장기 수명과 충·방전 효율, 망간의 가역적 석출·박리 성능을 더 높여야 한다.

특히 사불화붕산 이온은 수분과 반응할 수 있어 전해질 제조와 셀 조립 과정에서 정밀한 수분 관리가 필요하다. 연구팀은 앞으로 용매·첨가제·전극 보호막 설계를 고도화해 전지의 수명과 효율을 개선할 계획이다.

명승택 교수는 “전해질 개발과 함께 양극·음극 후보 소재를 검토하고 실제 전지 형태의 구동 가능성까지 확인했다”며 “망간 전지의 수명과 효율을 높이는 후속 연구를 통해 대용량 ESS 적용 기반을 넓히겠다”고 말했다.