휴대전화 충전속도 향상 ‘비밀’…전기 이중층서 풀었다

KAIST, 전극-전해질 맞닿는 ‘전기 이중층’서 구조적 상전이 규명 음극 ‘물 분자 정렬’, 양극 ‘음이온 표면 응축’...낙타서 종으로 변화 휴대전화 충전과 수소 생산 등 전기화학 반응이 일어나는 초미세 공간에서 분자 구조가 바뀌는 과정을 국내 연구진이 밝혀냈다. 배터리 충전 속도를 높이거나 수소생산 효율을 극대화하는 등 에너지 변환 기술의 성능을 끌어 올리는 데 기여할 것으로 기대된다. KAIST는 김형준 화학과 교수 연구팀이 최창혁 포스텍 화학과 교수, 신승재 UNIST 교수와 공동으로 전기 이중층 내부에서 나타나는 구조적 상전이(물질 상태나 배열이 바뀌는 현상)를 분자 수준에서 규명했다고 3일 밝혔다. 전기화학 반응은 전극과 전해질이 맞닿는 초미세 공간 ‘전기 이중층’에서 일어난다. 전기화학 분야에서 전해질 농도가 높아질수록 전기용량 곡선이 두 개의 봉우리를 가진 ‘낙타 모양’에서 하나의 봉우리인 ‘종 모양’으로 변하는 현상이 오래 전부터 알려져 왔지만, 그 원인을 분자 수준에서 밝혀내지 못했다. 연구팀은 원자 수준의 전기화학 시뮬레이션과 실험을 통해 전기 이중층에서 두 가지 핵심 상전이가 존재함을 밝혀냈다. 먼저 음극에서는 물 분자들이 집단적으로 특정 방향으로 재배열되는 ‘물 분자 정렬 상전이’, 양극에서는 음이온들이 표면에 밀집해 2차원 구조를 형성하는 ‘음이온 표면 응축 상전이’가 각각 나타남을 확인했다. 두 상전이는 각각 전기용량 곡선의 봉우리를 만들며, 전해질 농도가 높아질수록 하나로 합쳐지면서 곡선 형태가 낙타에서 종으로 변화했다. 한쪽에선 물 분자들이 줄을 맞춰 정렬하고, 다른 쪽에서는 이온들이 빽빽하게 모이는데, 농도가 높아지면 두 현상이 하나로 합쳐지면서 그래프도 두 봉우리에서 하나로 바뀐다는 것이다. 연구팀을 이를 토대로 전극 전위(전극에 걸리는 전압)과 전해질 농도에 따라 전기 이중층 구조가 변하는 것을 체계적으로 정리한 ‘상도표’(조건에 따른 상태 변화를 정리한 지도)를 제시했다. 김형준 교수는 “전기 이중층의 상전이 정밀 제어를 통해 향후 배터리 충전 속도 향상, 수소생산 효율 극대화, 전기촉매 반응 선택성 제어 등 에너지 변환 기술 성능을 높이는 데 기여할 것”이라고 말했다. 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 지난 3월 7일자에 실렸다.