원자 규모의 비밀: 배터리 내부에서 실제로 무슨 일이 일어나는가

획기적인 이미징 기술로 배터리 내부에서 보이지 않는 액체층이 어떻게 작용하는지 밝혀내며, 더욱 스마트하고 효율적인 에너지 기술의 가능성을 시사합니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

전기화학 전지, 즉 잘 알려진 배터리는 화학, 물리학, 재료 과학, 전자공학을 결합한 복잡한 기술입니다. 스마트폰부터 전기 자동차에 이르기까지 모든 것의 동력원일 뿐만 아니라, 분자 수준에서 그 구조와 진화를 완전히 이해하고자 하는 과학적 탐구의 강력한 동기가 되고 있습니다.

일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 그레인저 공과대학 재료과학 및 공학과 잉지에 장 교수가 이끄는 연구팀은 전기화학 전지의 널리 알려졌지만 종종 간과되는 측면, 즉 전지 내 고체-액체 계면에서 액체의 불균일성에 대한 최초의 연구를 완료했습니다. 연구진이 미국 국립과학원 회보(PNAS)에 보고한 바와 같이, 미세 영상을 통해 전기 이중층(EDL)이라고 불리는 이러한 계면 구조가 고체 표면의 화학적 증착에 반응하여 특정 배열로 조직되는 경향이 있음을 확인했습니다.

"전기화학 전지를 기술적 유용성 때문에 배터리로만 생각하는 경향이 있지만, 기술적 응용 분야에 도움이 될 만한 과학적 연구가 아직 많이 남아 있습니다."라고 장 연구팀의 대학원생이자 이 연구의 주저자인 치안 아이는 말했다. "저희는 작은 힘을 감지하기 위해 고안된 기술인 3D 원자간력 현미경을 이용하여 EDL을 면밀히 조사했습니다. 표면 클러스터를 둘러싼 불균일한 EDL의 분자 구조를 처음으로 관찰했습니다."

전기화학 전지는 액체 전해질 내부의 이동 전하를 이용하여 두 단자 사이에 전압차를 발생시키는 전기적 불균형을 유지합니다. 100여 년 전 이러한 시스템에 대한 초기 연구에서는 액체 전해질과 고체 도체 사이의 계면에 전압차를 매개하는 EDL이 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다. EDL은 계면에서 나노미터 두께의 층으로 자가 조직화된 전해질로 구성됩니다.

과거 연구에 따르면 배터리의 고체-액체 계면은 불균일하며, 공간적으로 다양한 화학적 조성과 형태를 보이며, 때로는 표면 클러스터를 형성하기도 합니다. 그러나 전기화학 전지를 연구하고 모델링하려는 이러한 시도는 평평하고 균일한 표면을 가진 모델 시스템에만 집중되어 왔습니다. 그 결과, 전기화학 전지와 배터리 기술에 대한 우리의 이해를 저해하는 지식 격차가 발생합니다.

이질성 계면을 조사하기 위해 연구팀은 미소한 힘을 감지하도록 설계된 기술인 3D 원자간력 현미경(3D AFM)을 사용했습니다. 이 방법을 통해 EDL의 불균일성과 배터리 충전 초기 단계에서 핵 생성되는 구조인 표면 클러스터의 상관관계를 규명할 수 있었습니다. 연구진은 이 데이터를 바탕으로 EDL의 세 가지 주요 반응을 제시했습니다. 첫 번째 반응은 층들이 클러스터 주위로 휘어져 보이는 "굽힘", 두 번째 반응은 층 일부가 분리되어 새로운 중간층을 형성하는 "파괴", 세 번째 반응은 클러스터 위의 EDL 층이 층 수의 차이를 두고 인근 층과 연결되는 "재연결"입니다.

"이 세 가지 패턴은 매우 보편적입니다."라고 아이 박사는 말했다. "이러한 구조는 주로 액체 분자의 유한한 크기에 기인하는 것이지, 특정 화학적 성질에 기인하는 것은 아닙니다. 다른 시스템의 경우 고체 표면 형태를 기반으로 액체 구조를 예측할 수 있을 것입니다."

연구진은 앞으로 연구 결과를 더욱 확장해 나갈 수 있기를 기대하고 있습니다.

"이것은 획기적입니다." 장 교수는 말했다. "우리는 현실적이고 이질적인 전기화학 시스템에서 EDL을 해결했는데, 이는 전기화학에서 매우 중요한 업적입니다. 기술적 측면에서의 실질적인 의미 외에도, 우리는 전기화학 교과서에 새로운 장을 추가하기 시작했습니다."

Lalith Bonagiri, Kaustubh Panse, 김재현, Shan Zhou도 이 작업에 참여했습니다.

공군 과학 연구실의 지원이 제공되었습니다.

잉지에 장(Yingjie Zhang)은 일리노이 그레인저 공과대학(Illinois Grainger Engineering) 재료과학공학과 재료과학 및 공학 조교수입니다. 그는 재료연구소(Materials Research Laboratory)와 베크만 첨단과학기술연구소(Beckman Institute for Advanced Science and Technology)의 협력 교수입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250729001223.htm