리튬 없는 배터리? 마그네슘 이온 전지의 가능성과 한계

전 세계 전지 산업은 오랫동안 리튬이온 배터리에 의존해 왔습니다. 그러나 리튬 자원의 희소성과 가격 변동성, 채굴 과정에서의 환경 문제로 인해, ‘리튬을 대체할 차세대 이온 전지’ 개발이 전력 산업의 핵심 과제로 떠올랐습니다.
그중에서도 마그네슘 이온 전지(Mg-ion battery) 는 리튬보다 풍부한 자원, 높은 이론 용량, 그리고 우수한 안전성을 바탕으로 차세대 대안으로 주목받고 있습니다.
하지만 아직은 상용화 단계에 도달하지 못했으며, 기술적 한계와 소재적 과제가 병존하는 상황입니다. 이번 글에서는 마그네슘 이온 전지의 원리, 기술적 장점, 해결해야 할 한계, 그리고 향후 상용화 가능성까지 체계적으로 살펴보겠습니다.

🔬 마그네슘 이온 전지의 작동 원리와 기본 구조

 마그네슘 이온 전지는 리튬이온 배터리와 유사한 구조를 가지고 있습니다. 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 이루어지며, 충전 시에는 마그네슘 이온(Mg²⁺) 이 양극에서 음극으로 이동하고, 방전 시에는 그 반대 방향으로 이동하면서 전류를 생성합니다.

리튬이온 전지가 단일 전하(Li⁺) 를 사용하는 반면, 마그네슘은 이중 전하(2+) 를 가지므로 동일한 수의 이온 이동으로도 더 많은 전자를 전달할 수 있습니다. 이론상으로는 에너지 밀도가 리튬이온 전지의 두 배 이상에 달할 수 있습니다. 또한 마그네슘은 금속 상태에서도 안정적이어서, 리튬 금속 전극에서 발생하는 덴드라이트(Dendrite) 형성 문제가 거의 없습니다. 덴드라이트는 전극 내부에서 바늘 모양 결정이 자라 단락과 화재를 일으키는 주요 원인인데, 마그네슘 금속은 표면 반응이 완만해 안전성이 매우 높습니다.

결국 마그네슘 전지는 고용량·고안전성·저비용이라는 세 가지 장점을 동시에 갖춘 이상적인 차세대 전지 후보로 평가됩니다.

 

⚡ 리튬을 대체할 수 있는 잠재력 – 풍부한 자원과 비용 절감 효과

 마그네슘은 지각 내 풍부한 원소로, 해수 1리터에도 약 1.3g이 포함되어 있을 정도로 자원 매장량이 풍부하고 가격이 저렴합니다. 반면 리튬은 일부 지역(남미 염호, 호주 광산)에 편중되어 있어 공급망 리스크가 크고, 채굴 시 염수 증발 과정에서 막대한 물이 소모되어 환경 파괴 문제가 심각합니다.

 마그네슘 이온 전지가 상용화되면, 이러한 자원 문제를 획기적으로 개선할 수 있습니다. 마그네슘의 공급원은 해수, 백운석(Dolomite), 마그네사이트(Magnesite) 등 다양하며, 추출 과정 또한 상대적으로 단순합니다.
또한 마그네슘 금속은 공기 중에서도 안정적이어서, 리튬처럼 불활성 가스 하에서 제조할 필요가 없기 때문에 생산비 절감 효과도 큽니다.

 한편, 환경적 측면에서도 마그네슘 전지는 이산화탄소 배출량을 줄이고, 재활용 효율이 높으며, 화재 위험이 적은 친환경 에너지 저장 장치로 평가받고 있습니다. 따라서 탄소중립 시대에 적합한 지속 가능한 배터리 기술로 각광받고 있습니다.

 

🧩 마그네슘 전지의 기술적 한계 – 전해질과 전극 소재의 난제

 마그네슘 이온 전지의 상용화를 가로막는 가장 큰 기술적 장애물은 바로 전해질과 전극 간의 반응성 문제입니다.
마그네슘 금속은 표면에 매우 안정한 산화 피막이 형성되어, 일반적인 전해질에서는 이온 전달이 거의 일어나지 않는 문제가 있습니다. 이는 충·방전 효율을 크게 저하시키며, 전극과 전해질의 계면 안정성 확보가 기술적 난제로 꼽힙니다.

 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 비할로겐계 전해질, 그라이머(Grignard) 기반 전해질, 고체 전해질 등을 개발하고 있습니다. 그러나 여전히 전도도와 안정성의 균형을 맞추기 어려워 상용화까지는 추가 연구가 필요합니다.
 또한 양극 소재 측면에서도, 마그네슘 이온은 이온 반경이 크고 다가 전하(2+) 를 가지므로, 결정 구조 내에서 확산 속도가 느립니다. 이는 충전·방전 속도를 제한하는 요인이 됩니다.

최근에는 전이금속 황화물(TiS₂, MoS₂) 이나 유기 전극 소재 를 활용하여 이온 확산성을 높이는 연구가 진행되고 있으며, 그래핀 기반 복합 전극 또한 새로운 대안으로 떠오르고 있습니다.

 

🔭 상용화 가능성과 미래 전망 – 리튬 이후의 대안이 될 수 있을까

 현재 마그네슘 이온 전지는 연구실 수준의 프로토타입 단계에 머물러 있습니다. 하지만 일본, 미국, 한국을 중심으로 소재 기업과 대학 연구소가 협력하여 고전도성 전해질, 고체계 마그네슘 전지, 하이브리드 금속 전지 등의 연구를 활발히 진행 중입니다.
특히 한국의 경우, 한국에너지기술연구원(KIER) 과 KAIST, 성균관대학교 등이 차세대 금속이온 전지 소재 개발을 주도하고 있습니다.

 마그네슘 전지는 리튬이온 전지를 완전히 대체하기보다는, 특정 응용 분야에서 보완적 역할을 수행할 가능성이 큽니다. 예를 들어 대형 ESS(에너지저장시스템), 해양 전력 저장장치, 저가형 전기차용 배터리 등에서는 마그네슘의 경제성과 안전성이 큰 장점으로 작용할 것입니다.
 장기적으로는 리튬·나트륨·마그네슘이 공존하는 멀티이온 배터리 시장 구조가 형성될 것으로 예상되며, 마그네슘 전지는 ‘리튬을 넘어선 지속 가능한 에너지 저장 기술’로 자리매김할 잠재력을 가지고 있습니다.

결국 마그네슘 이온 전지의 핵심은 리튬의 대체가 아닌, 에너지 자원의 다양화에 있습니다. 자원 분산화와 공급망 안정성을 통해 에너지 안보를 확보하려는 글로벌 전략 속에서, 마그네슘 전지는 매우 중요한 기술적 대안으로 발전할 것입니다.