배터리 내부 정밀 추적 신기법, 미래 에너지 솔루션 견인

이동 수단의 미래는 전기 자동차, 트럭, 비행기입니다. 하지만 단일 배터리 설계로 그 미래를 감당할 수는 없습니다. 휴대폰과 노트북 배터리조차 서로 다른 요구사항과 설계를 가집니다. 향후 몇 십 년간 필요한 배터리는 특정 용도에 맞춰져야 합니다. 그리고 그것은 각 배터리 유형 내부에서 정확히 무슨 일이 일어나는지 가능한 한 정밀하게 이해하는 것을 의미합니다.

모든 배터리는 같은 원리로 작동합니다. 이온(전하를 띤 원자나 분자)이 전류를 양극(anode)에서 음극(cathode)으로 전해질이라 불리는 물질을 통해 운반한 후 다시 돌아옵니다. 하지만 액체이든 고체이든 그 물질을 통과하는 이온의 정확한 움직임은 수십 년간 과학자들을 당혹게 했습니다. 다양한 유형의 이온이 다양한 유형의 전해질을 통과하는 움직임을 정확히 알면 연구자들이 그 움직임에 영향을 주어 특정 용도에 가장 적합한 방식으로 충방전하는 배터리를 만드는 방법을 알아낼 수 있습니다.

과학자 팀은 배터리 내를 이동하는 이온을 정밀하게 측정할 수 있는 기술 조합을 시연했습니다. 서로 다른 실험 방법의 조합으로 이온의 속도와 농도를 측정한 다음 둘 다를 이론과 비교했습니다. 이 방법들에는 초고휘도 X선을 사용하여 배터리를 통과하는 이온의 속도를 측정하고, 모델 배터리가 방전되는 동안 전해질 내 이온 농도를 동시에 측정하는 것이 포함됩니다. 연구팀은 그런 다음 결과를 수학적 모델과 비교했습니다. 그 결과는 이온이 운반하는 전류, 즉 전송 수(transport number)라고 불리는 것을 나타내는 극도로 정확한 수치입니다.

전송 수는 본질적으로 전체 전류에 대한 양이온이 운반하는 전류의 양이며, 팀의 계산에 따르면 이 수치는 약 0.2입니다. 이 결론은 이온 움직임을 측정하는 이 새로운 방식의 민감성 때문에 다른 방법들로부터 도출된 결론들과 다릅니다.

이 실험을 위해 연구팀은 리튬이온 배터리에 널리 사용되는 액체 전해질 대신 고체 폴리머 전해질을 사용했습니다. 폴리머는 일부 액체 전해질의 인화성 문제를 피할 수 있어 더 안전합니다.

과거에는 배터리 내부를 연구하는 가장 좋은 방법이 전류를 흘려보낸 후 사후에 무슨 일이 일어났는지 분석하는 것이었습니다. 실시간으로 이온의 움직임을 추적할 수 있게 되면서 과학자들은 배터리 설계 니즈에 맞게 그 움직임을 변경할 기회를 얻었습니다.

다음 단계는 더 복잡한 폴리머와 칼슘, 아연 같은 다른 재료, 결국 액체 전해질까지 분석하는 것입니다.