배터리·수소·탄소중립 혁신할 에너지 반응 '핵심 비밀' 풀렸다

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 화학과 김형준 교수 연구팀과 포항공대(POSTECH) 화학과 최창혁 교수, 울산과학기술원(UNIST) 신승재 교수가 공동으로 전기 이중층 내부에서 나타나는 구조적 '상전이'를 규명했다고 3일 밝혔다.

전기화학 반응은 전극과 전해질이 맞닿는 초미세 공간인 전기 이중층에서 일어난다. 전기화학 분야에서 전해질 농도가 높아질수록 전기용량 곡선이 두 개의 봉우리를 가진 '낙타 모양'에서 하나의 '종 모양'으로 바뀌는 현상이 오래전부터 알려져 있었지만, 그 원인은 분자 수준에서 설명되지 못한 채 남아 있었다.

연구팀은 원자 수준의 정밀 시뮬레이션과 실험을 통해 전극에 걸리는 전압에 따라 두 가지 핵심 변화가 발생한다는 사실을 밝혀냈다.

음극에서는 물 분자들이 일정한 방향으로 일제히 재배열되고, 양극에서는 음이온들이 표면에 밀집해 2차원 구조를 형성하는 '응축' 현상이 나타났다. 이 두 과정은 각각 전기용량 곡선의 봉우리를 만들며 전해질 농도가 높아질수록 하나로 합쳐지면서 곡선 형태가 변화하게 된다.

특히 연구팀은 전극 전위(전극에 걸리는 전압)와 전해질 농도에 따라 전기 이중층 구조가 어떻게 달라지는지를 한눈에 보여주는 '상도표'를 세계 최초로 제시했다. 이 같은 이론적 예측은 실시간 적외선 분광법(ATR-SEIRAS)을 통해 실제로 입증됐다.

이번 연구는 전기 이중층을 단순한 정전기적 구조가 아닌 '상전이 시스템'으로 이해하는 이론적 틀을 제시함으로써 전극-전해질 계면의 미세 환경 정밀 설계 기반을 마련한 것으로 평가된다.

김 교수는 "이번 연구는 보이지 않게 미세한 전기화학 반응 환경을 처음으로 이해하고 이를 설계할 수 있는 길을 연 것"이라며 “전기 이중층의 상전이를 정밀하게 제어할 수 있다면 배터리 충전 속도를 높이거나 수소 생산 효율을 극대화하는 등 에너지 기술의 성능을 정밀하게 향상시킬 수 있을 것"이라고 말했다.

KAIST 화학과 김민호 박사과정 학생과 POSTECH 화학과 김동현, 조준식 박사과정 학생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다.

연구는 삼성전자 미래기술육성사업과 UNIST 하이드로 스튜디오의 이노코어 프로그램, 한국연구재단(NRF)의 탑-티어 연구기관 간 협력 플랫폼 구축 및 공동연구 지원사업, 나노 및 소재 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr