IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 분자 분광학·동력학 연구단(단장 조민행 교수, 연구위원 곽경원 교수)과 군산대 화학과(이경구 교수) 공동연구진이 리튬이온 이차전지 내에서의 리튬이온 이동 과정을 실시간으로 관측하는데 성공했다고 27일 밝혔다.

기존의 전해질 관찰은 분광분석과 전산모사 등 다양한 방법으로 이뤄졌다. 하지만 정지된 장면으로 단순한 전해질 구성 물질이나 조성 정도만 확인할 수 있었다.

연구진은 표적에 레이저를 쏘아 물체의 움직임을 파악할 수 있는 이차원 적외선 분광기를 활용해 이 문제를 해결했다. 펨토초 레이저는 1000조분의 1초 단위로 움직임을 포착한다. 모아진 정지화면들을 이어 붙이면 초정밀 동영상을 만들 수 있게 된다.

연구진이 이차원 적외선 분광기로 리튬이차전지 전해질 내 리튬이온과 전해질 용매들의 움직임을 측정한 결과 안으로 침투하는 모습과 전해질 용매가 리튬이온 주변을 벗어나는 과정이 피코초(ps, 1ps=1조 분의 1초) 수준에서 관측됐다.

리튬이온 주변에 전해질이 용매껍질처럼 자리 잡아 고정된 덩어리 상태로 확산될 것이란 기존 학설과 달리 리튬이온을 둘러싼 용매들이 계속 자리를 바꾸며 활발히 움직였다.

조민행 단장은 "피코초 수준에서 용매껍질이 끊임없이 재구조화를 이루고 있는 것으로 밝혀져 기존 이온 확산 이론의 수정이 불가피해졌다"면서 "전해질 내 이온 움직임에 대한 새로운 이론을 정립하기 위해 후속연구를 진행하고 있다"고 말했다. 

이번 연구 결과는 지난 9일자로 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.