전기자동차에 사용되는 ‘이차전지’ 내 리튬 이동 과정 관측돼

▲ 리튬이온 이차전지와 펨토초 레이저 모식도

IBS, 펨토 초 1000조분의 1초 단위 과정 관측 성공

전기자동차나 휴대용 전자기기에 사용되는 ‘이차전지’ 내 리튬이온 이동 과정이 실시간으로 관측됐다.

기존 확산이론 뒤엎는 관측 결과로 차세대 이차전지 개발에 긍정적인 영향을 미칠 전망이다.

기초과학연구원(IBS)은 분자분광학및동력학연구단(단장 조민행 교수ㆍ연구위원 곽경원 교수)과 군산대 화학과(이경구 교수) 공동연구진은 이차원 적외선 분광기의 펨토 초(fsㆍ1fs=1000조분의 1초) 레이저로 리튬이온 이차전지 전해질 내에서의 리튬이온 이동 과정을 실시간으로 관측했다고 27일 밝혔다.

기존 전해질 관찰은 분광분석과 전산모사 등 다양한 방법으로 이뤄졌다.

정지된 장면으로 단순히 전해질 구성 물질이나 조성 정도만 확인할 수 있었다.

하지만, 연구단의 이차원 적외선 분광기는 표적에 레이저를 쏘아 물체의 움직임을 파악할 수 있는 특징이 있다.

펨토 초 레이저는 1000조분의 1초 단위로 움직임을 포착해 분자 탄생의 순간과 같은 찰나를 놓치지 않아, 정지화면을 이어 초정밀 동영상도 만들 수 있다.

연구진은 리튬이차전지 전해질 내 리튬이온과 전해질 용매들의 움직임을 측정했다.

용매가 리튬이온 주변으로 모여들어 용매 껍질 안으로 침투하는 모습과 전해질 용매가 리튬이온 주변을 벗어나는 과정이 피코 초(psㆍ1ps=1조 분의 1초) 수준에서 관측됐다.

그 결과, 리튬이온 주변에 전해질이 용매 껍질처럼 자리 잡아 고정된 덩어리 상태로 확산된다는 기존 학설과 달리 리튬이온을 둘러싼 용매가 계속 자리를 바꾸며 활발히 움직이는 것을 확인했다.

조민행 단장은 “이번 연구로 피코초 수준에서 용매 껍질이 끊임없이 재구조화를 이루고 있는 것으로 밝혀져 기존 이온 확산 이론의 수정이 불가피하다”며 “전해질 내에서의 이온 움직임에 관한 새로운 이론을 정립하기 위해 후속연구를 진행하고 있다”라고 말했다.

이번 연구 결과는 지난 9일 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 최소망 기자 somangchoi@