마그네슘 배터리는 인화성이나 폭발 위험이 있는 전통적인 리튬 이온 배터리와 달리 현대 생활에 안전하게 공급할 수 있는 가능성을 제공하고 있다. 그러나 에너지 저장 능력은 제한적이다.

연구팀은 최근 네이쳐 커뮤니케이션스 (Nature Communications) 지에 배터리 음극의 새로운 설계 발견과 저장 용량의 대폭적인 증가, 그리고 마그네슘 염화물 결합이 마그네슘을 호스트 안으로 삽입하기 전에 깨져야 한다는 기존의 결과를 뒤집는다고 보고했다.

마그네슘 이온은 호스트에 삽입하기가 어렵다고 알려져 있다. 우선, 염화 마그네슘 결합을 끊는 것은 매우 어렵다. 또한 생산된 마그네슘 이온은 호스트에서 매우 천천히 움직이며, 이로 인해 배터리의 효율이 저하된다.

새로운 배터리는 마그네슘 모노클로라이드 (magnesium monocloride)를 티타늄 디설파이드(titanium disulfide)와 같은 호스트에 삽입하여 에너지를 저장한다. 염화 마그네슘 결합을 유지함으로써 음극이 전통적인 마그네슘 배터리보다 훨씬 빠른 확산을 나타냈다.

연구팀은 기존 마그네슘 전지의 경우 100mAh/g이었던 것에 비해 새로운 전지는 400mAh/g의 저장 용량을 가지고 있다고 보고했다. 상업용 리튬 이온 배터리는 음극 용량이 약 200mAh/g이다.

리튬 배터리의 경우 3 ~ 4 볼트와 비교하여 새 배터리의 전압은 약 1V로 낮다.

높은 에너지 밀도와 결합된 고전압은 리튬 이온 배터리를 표준으로 만들었다. 그러나 리튬은 값이 비싸고 덴드라이트 (dendrite) 성장으로 알려진 상태인 내부 구조의 파괴를 일으킬 수 있다. 이는 전지 발화의 원인이 된다. 지구가 풍부한 자원인 마그네슘은 저렴하고 덴드라이트를 형성하지 않는다. 그러나 지금까지는 더 나은 음극 (전류가 흐르는 전극)과 보다 효율적인 전해질 (이온 전하가 음극과 양극 사이를 통과하는 매개체)의 필요성으로 인해 문제가 발생하고 있다.

이를 해결하기 위해 마그네슘 염화물 결합을 끊고 마그네슘만을 삽입하는 대신 티타늄 디설파이드를 팽창시켜 마그네슘 클로라이드가 삽입되도록 하였다. 염화 마그네슘 결합을 유지하면 음극이 저장할 수 있는 전하가 두 배가되었다.

마그네슘 모노클로라이드 분자는 너무 커서 종래의 방법을 사용하여 티타늄 디설파이드에 삽입할 수 없다. 연구진은 초기 연구를 바탕으로 이산화 티타늄의 틈을 유기 기둥을 사용하여 300 %까지 확장하여 개방형 나노 구조를 만들었다.

개구부는 여전히 작았고 0.57 나노 미터에서 1.8 나노 미터로 증가했지만 염화 마그네슘이 삽입될 수 있다.

결합된 이론 모델링, 분광 분석 및 전기 화학 연구 마그네슘 염화물 결합의 절단없이 마그네슘 모노클로라이드 양이온의 빠른 확산 동력을 밝혔다. 대용량은 실온에서도 탁월한 속도와 사이클링 성능을 수반하며 다원자가 이온 배터리를 위한 다양한 효과적인 인터칼레이션 (intercalation) 호스트의 가능성을 열어준다.

연구팀은 더 높은 전압의 호스트에 다양한 다 원자 이온을 삽입하여 결국 전기 자동차를 위해 저렴한 가격으로 고 에너지 배터리를 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다.