KAIST, 배터리 효율 가를 ‘전기 이중층’ 분자 배열 원리 규명

KAIST·POSTECH·UNIST 공동 연구진이 전기 이중층에서 발생하는 구조적 상전이를 최초로 규명

전기 이중층 구조 변화로 나타나는 '낙타형→종형' 곡선 전이. 그림=카이스트 제공

[충청투데이 조정민 기자] 전기차 배터리 충전 속도나 수소 생산 효율성을 높이는 결정적 공간은 눈에 보이지 않는 전극과 전해질 사이 미세한 경계면, 즉 전기 이중층에 있다.

학계에선 전해질 농도 변화에 따라 이 경계면의 전기 저장 능력이 낙타의 등 또는 종 모양으로 변하는 현상을 관측했지만, 분자적 원인에 대해선 명확한 탑을 내놓지 못했다.

3일 KAIST에 따르면 화학과 김형준 교수팀과 POSTECH·UNIST 공동 연구진은 최근 이 에너지 반응의 전기 이중층 내부 구조적 상전이 과정을 세계 최초로 규명하는 데 성공했다.

상전이는 물질의 상태나 배열이 바뀌는 현상으로, 전기 저장 능력의 패턴의 모양이 바뀌는 현상의 원인을 분자적 수준에서 밝혀냈다.

연구의 핵심은 전압과 농도라는 변수에 따라 경계면의 분자들이 어떻게 줄을 서고 뭉치는지를 원자 수준에서 시뮬레이션하고 이를 실험으로 입증했다는 점이다.

연구 결과를 보면 음극에선 물 분자들이 전압에 반응해 일제히 방향을 바꾸며 재배열되고, 양극에서는 음이온들이 빽빽하게 모여 2차원 응축 구조를 형성한다.

전해질 농도가 낮을 때 이 두 현상이 각각 독립적인 봉우리를 만들어 '낙타 모양'의 효율 곡선을 그리지만, 농도가 높아지면 두 과정이 하나로 통합되며 '종 모양'으로 변한다는 사실이 밝혀졌다.

이번 연구의 핵심은 또 있다. 복잡한 변화를 한눈에 파악할 수 있는 '상도표(Phase Diagram)'를 제시했다는 점이다.

상도표는 바다의 항해사가 지도를 펼치고 길을 찾아가 듯 공학자들이 특정 에너지 소자 성능을 극대화하려면 전압과 농도를 어떻게 설계해야 할지 보여주는 이정표 역할을 할 수 있다.

이번 연구는 이론적 예측과 실험실에서의 정밀 측정(ATR-SEIRAS)을 통해 원리를 규명한 기초 연구 단계인 만큼, 향후 추가적인 연구를 통해 얼마나 상용화에 가까워질지 관심이 모아진다.

이 연구가 배터리 충전 속도 향상은 물론 탄소중립의 핵심인 수소 생산 효율을 설계 단계에서부터 정밀 제어할 수 있는 이론적 토대를 마련했다는 점에서 의미가 깊다.

좌측부터 KAIST 김형준 교수, POSTECH 김동현 박사과정, KAIST 김민호 박사과정, POSTECH 조준식 박사과정, POSTECH 최창혁 교수, UNIST 신승재 교수. 사진=카이스트 제공

김형준 교수는 "보이지 않는 미세한 전기화학 반응 환경을 이해하고 이를 설계할 수 있는 길을 열게 됐다"며 "향후 에어지 변환 기술 전반의 성능을 획기적으로 끌어올리는 데 기초를 제공하게 될 것"이라고 밝혔다.

삼성전자 미래기술육성사업 등의 지원을 받은 이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 7일 게재되며 그 학술적 가치를 인정받았다.

조정민 기자 jeongmin@cctoday.co.kr