IBS, 리튬이온 움직임 규명... 기존 이온 확산이론 뒤집어

기초과학연구원(원장 김두철·IBS)이 이차전지 안에서 리튬이온과 전해질이 확산하는 원리를 정밀 측정하는데 성공했다. 새로운 리튬이온 확산 이론 토대를 만들어 차세대 이차전지 개발을 앞당길 전망이다.

IBS는 조민행 분자·분광학 및 동력학 연구단장팀이 리튬이온이 이차전지 전해질 안에서 이동하는 과정을 실시간 관측하는데 성공했다고 27일 밝혔다.

리튬이온이 전해질 속 용매에 의해 둘러싸여 나타나는 이차원 적외선 스펙트럼 및 화학 평형 상태.

리튬이온 이차전지는 리튬이온이 내부 양극과 음극을 오가는 과정에서 충·방전된다. 내부 전해질이 리튬이온과 함께 확산, 이동을 돕는다. 확산이 빠를수록 충·방전 속도도 빨라진다.

그동안 학계는 전지 성능을 높이기 위해 다양한 방법으로 전해질 확산과정을 관찰했다. 하지만 정확한 리튬이온의 동력학을 밝혀내지는 못했다. 몇몇 정지된 화면을 통해 단편적인 정보만 확인하는 수준이다.

연구팀은 펨토초(1000조분의 1초) 레이저 장치를 이용해 수많은 정지영상을 찍어 이어붙이는 방법을 썼다. 이 방법으로 리튬이온과 전해질 용매의 움직임을 피코초(1조분의 1초) 간격으로 측정, 새로운 동력학 이론 가능성을 제시했다.

지금까지는 전해질이 리튬이온 주변을 껍질처럼 둘러싸 단단한 덩어리 형태로 확산한다고 여겨졌다. 하지만 측정결과 전해질은 리튬이온 주변에서 끊임없이 움직이는 것으로 나타났다.

연구팀은 측정 결과를 바탕으로 새로운 전해질 내 리튬이온 동력학 이론을 마련할 방침이다. 이차전지 내 화학반응을 실시간 관측하는 초고속 레이저 분광기도 구축한다.

조민행 분자·분광학 및 동력학 연구단장은 “이번 연구로 이차전지 안의 전해질이 리튬이온 주변에서 계속 재구조화 과정을 거듭하는 것을 확인했다”면서 “기존 이온 확산 이론을 수정하고 새로운 결과물을 정립하기 위해 후속연구를 진행하겠다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com

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