이차전지 내 음극과 양극 사잉에서 리튬이온을 통해 전류가 흐를 수 있는 통로 역할을 하는 전해질에 이차원 적외선 분광기의 펨토초 레이저를 가하는 모습.© News1

전기자동차와 휴대용 전자기기에 필수적인 리튬이온 이차전지의 움직임과 전달과정이 국내 연구진에 의해 새롭게 밝혀졌다. 이를 통해 앞으로 고성능 전해질 물질 개발에 활기를 불어넣을 전망이다.  

기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단과 군산대 화학과 공동연구진이 리튬이온 이차전지 내에서의 리튬이온 이동 과정을 실시간으로 관측하는데 성공했다고 27일 밝혔다. 연구팀은 이차원 적외선 분광기의 펨토초(fs, 1fs=1000조분의 1초) 레이저를 활용 리튬이차전지 전해질 내의 리튬이온과 전해질 용매들의 움직임을 측정했다. 펨토초 레이저는 1000조분의 1초 단위로 움직임을 포착해, 분자 탄생의 순간과 같은 찰나의 시간도 놓치지 않는다. 이렇게 모은 정지화면들을 이어 붙이면 초정밀 동영상을 만들 수 있다.

측정결과 유한 이차원 적외선 분광기는 표적에 레이저를 쏘아 물체의 움직임을 파악할 수 있다. 용매들이 리튬이온 주변으로 모여들어 용매껍질 용매껍질 안으로 침투하는 모습과 전해질 용매가 리튬이온 주변을 벗어나는 과정이 피코초(ps, 1ps=1조 분의 1초) 수준에서 관측됐다. 리튬이온 주변에 전해질이 용매껍질처럼 자리 잡아 고정된 덩어리 상태로 확산될 것이란 기존 학설과 달리 리튬이온을 둘러싼 용매들이 계속 자리를 바꾸며 활발히 움직이고 있는 것.

조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장은 “이번 연구로 피코초 수준에서 용매껍질이 끊임없이 재구조화를 이루고 있는 것으로 밝혀져 기존 이온 확산 이론의 수정이 불가피하다”면서 “전해질 내에서의 이온 움직임에 관한 새로운 이론을 정립하기 위해 후속연구를 진행하고 있다”라고 밝혔다. 이와함께 분자 분광학 및 동력학 연구단은 이차전지의 전극과 전해질 사이의 계면에서 일어나는 화학반응 과정을 실시간으로 관측할 수 있는 새로운 초고속 레이저 분광기 구축에도 나선 상태다. 근시일내에 리튬이온이 전극과 전극사이를 이동하는 과정을 촬영할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.  

이번 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈 3월 9일자에 게재됐다.

리튬이온이 전해질 속 용매에 둘러싸여 나타나는 이차원 적외선 스펙트럼과 화학 평형 상태를 도식화한 그림. © News1

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