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국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목받는 유기카지노 사이트의 수명을 단축시키는 핵심 원인을 밝혀냈다. 유기카지노 사이트는 현재 주로 쓰이는 리튬이온카지노 사이트에 들어가는 고가의 금속을 저렴한 유기물질로 바꾼 카지노 사이트다.

UNIST 에너지화학공학과 곽원진 교수팀과 한양대 기계공학과 최준명 교수팀은 전해질 내 용매와 양이온 간의 강한 상호작용이 유기카지노 사이트 전극의 용출(전극이 전해질에 녹아나오는 현상) 현상을 강화한다는 사실을 규명했다고 24일 밝혔다. 수돗물에 설탕이 녹듯 카지노 사이트 속 전극이 녹아버리는 현상 때문에 유기 카지노 사이트가 쉽게 망가졌던 것이다.

연구진은 먼저 카지노 사이트 속 전해질의 양이온을 바꿔가며 실험했다. 전해질은 카지노 사이트 속 전기가 흐르는 통로 역할을 하는 물질이다. 보통 액체 용매에 음이온과 양이온이 녹아있는 형태다. 양이온은 여기서 실제로 '전기를 나르는' 물질이다. 카지노 사이트가 작동할 때 전극 사이를 이동하면서 에너지를 저장하고 방출한다.

리튬, 나트륨, 칼륨이라는 세 가지 양이온으로 실험이 진행됐다. 그 결과 리튬을 썼을 때 전극이 가장 심하게 녹아나왔다. 리튬을 사용할 때 전극 두께가 가장 얇아졌다.

리튬이 다른 물질과 달라붙어 전극 속으로 들어갈 때 함께 끌고 들어가는 현상이 고장의 원인으로 지목된다. 리튬은 다른 소재와 비교해 용매 분자와 상호작용 에너지가 가장 컸다. 여기서 '용매와의 상호작용 에너지'란 양이온이 용매 분자와 결합하려는 힘의 세기를 의미한다. 리튬이 주변 물질과 단단하게 결합한다는 것이다. 이를 통해 전극 내부로 들어갈 때 용매 분자를 함께 끌고 들어가는 '공삽입' 현상이 가장 활발히 일어났다. 공삽입이 일어나면 전극 소재 내부의 미세구조가 벌어지면서 전극 물질이 쉽게 흘러나오게 된다. 반면상호작용이 약한 경우에는 양이온만 전극으로 들어가는 정상 삽입이 이뤄진다.

연구진은 시뮬레이션을 통해 리튬 기반 전해질이 다른 전해질보다 유기전극 내부 깊숙이 침투해 전극의 결정구조를 뒤틀리게 만든다는 사실도 확인했다. 결정구조란 전극을 구성하는 분자들이 규칙적으로 배열된 구조를 말하는데, 이것이 뒤틀리면서 전극을 구성하는 유기분자 간 결합력이 약화돼 전극 물질이 쉽게 용출된다는 것이다.

전극을 72시간 동안 전해질에 담가두는 실험에서도 리튬을 쓴 경우 전극이 가장 많이 녹아나와 전해질의 색깔이 크게변했다. 자외선과 가시광선을 이용해 물질의 특성을 분석하는 UV-Vis 분광법을 통한 분석에서도 같은 결과가 확인됐다.

연구진의 이번 발견은 전기차 시장 확대로 매년 수요가 증가하는 리튬이온카지노 사이트의 대안을 찾는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 최근 리튬이온카지노 사이트 양극재의 주요 원자재 가격이 상승하면서 저렴하면서도 고성능인 대체 양극재 개발에 관심이 모이고 있다.

곽원진 교수는 "이번 연구를 통해 전극 물질 용출이 단순히 용해도만이 아닌 전해질 내 상호작용과 그에 따른 메커니즘 변화에 기인함을 최초로 확인하고 구체적인 전해질 설계 전략을 제시했다"며 "이는 유기카지노 사이트의 성능과 수명을 근본적으로 향상시키는 데 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 나노과학 분야 학술지 'ACS 나노(ACS Nano)'에 지난달 14일자에 게재됐다.

/ 육지훈 기자editor@popsci.co.kr