화학과 성봉준 교수 연구팀, 국제 저명 학술지 JACS에 논문 게재

▲ (좌측부터) 화학과 성봉준 교수, 박형식 박사, 일본 분자과학연구소(IMS) 사이토 신지 교수

모교 화학과 성봉준 교수 연구팀이 일본 분자과학연구소(Institute for Molecular Science) 사이토 신지(Shinji Saito) 교수팀과 공동으로, 차세대 전지의 핵심 소재로 주목받는 ‘유기 이온성 플라스틱 결정(OIPC)’ 안에서 리튬 이온이 실제로 어떻게 이동하는지를 분자 하나하나 수준에서 규명했다. 이번 연구 성과는 화학 분야 최고 권위 학술지인 ‘Journal of the American Chemical Society’에 게재되었다.

휴대폰과 전기차에 쓰이는 리튬 이온 전지는 대부분 액체 전해질을 사용하는데, 이 액체는 불이 붙기 쉬워 화재와 폭발의 위험이 있다. 이를 해결할 대안으로 떠오른 것이 바로 ‘고체 전해질’이며, 그중에서도 유기 이온성 플라스틱 결정(OIPC)은 단단한 고체이면서도 내부 분자들이 제자리에서 끊임없이 회전하는 독특한 물질이다. 이러한 ‘말랑한(plastic) 고체’ 성질 덕분에 이온이 비교적 잘 통과할 수 있어, 안전하면서도 성능이 좋은 차세대 전지의 유력한 소재로 꼽혀 왔다.

그렇다면 이 단단한 고체 안에서 전기를 나르는 리튬 이온은 어떻게 이동하는 것일까? 지난 25년 넘게 과학계의 정설로 받아들여진 설명은 ‘물레방아(paddle-wheel) 메커니즘’이었다. 이온 주변을 둘러싼 큰 분자들이 마치 물레방아처럼 빙글빙글 돌면서, 그 회전이 옆에 있는 리튬 이온을 밀어내 다음 자리로 옮겨 준다는 것이다. 즉, ‘주변 분자의 회전’이 ‘이온의 이동’을 직접 일으킨다는 가설이었다.

연구팀은 이 오랜 가설을 슈퍼컴퓨터를 이용한 분자동역학(MD) 시뮬레이션과, 연구팀이 도입한 ‘홉 함수(hop function) 이론해석법’이라는 정밀 분석 도구로 처음부터 다시 검증했다. 홉 함수 분석법은 수많은 분자가 뒤섞여 움직이는 복잡한 환경 속에서, 이온 하나가 ‘언제, 어디로 한 칸 뛰는가’ 하는 개별 도약 사건을 정확히 포착해 내는 방법이다. 이를 통해 연구팀은 그동안 평균값으로만 뭉뚱그려 보던 이온의 움직임을, 사건 하나하나 단위로 들여다볼 수 있게 되었다.

그 결과는 기존 정설을 뒤집는 것이었다. 분석 결과, 물질의 뼈대를 이루는 큰 분자들끼리의 이동은 실제로 주변 분자의 회전과 맞물려 일어나 ‘물레방아’ 그림과 일치했다. 그러나 정작 전지의 성능을 좌우하는 ‘리튬 이온’의 도약은 주변 분자의 회전과 거의 무관하게, 즉 ‘물레방아’와는 별개로 일어난다는 사실이 드러났다.

대신 리튬 이온의 진짜 이동 비결은 ‘이온 우리(cage)의 협동적 재배열’에 있었다. 리튬 이온은 평소 여러 개의 음이온(PF6-)에 둘러싸인 ‘우리’ 안에 갇혀 있는데, 주변 음이온들—특히 세 번째, 네 번째, 다섯 번째로 가까운 음이온들—이 한꺼번에 자리를 바꾸면서 기존의 우리를 열고 새로운 우리를 만들어 준다. 바로 이 순간 리튬 이온은 옛 우리에서 빠져나와 새 우리로 옮겨 간다. 특히 리튬 이온을 둘러싼 음이온의 수가 일시적으로 단 두 개로 줄어드는 ‘문이 열린’ 상태가 되면, 이온이 도약하는 속도가 무려 1만 배까지 빨라진다는 사실도 밝혀냈다.

이번 연구는 25년 넘게 의심 없이 받아들여져 온 ‘물레방아 메커니즘’이 적어도 리튬 이온 전달에는 핵심이 아니며, 그 자리를 ‘주변 이온들의 협동적 재배열’이 대신한다는 것을 분자 수준의 직접 증거로 제시했다는 점에서 의미가 크다. 나아가 연구팀이 활용한 홉 함수 분석법은 복잡한 고체 전해질뿐 아니라 다양한 플라스틱 결정·이온성 물질에 두루 적용할 수 있는 강력한 분석 틀로, 앞으로 더 안전하고 성능이 뛰어난 차세대 전지용 고체 전해질을 ‘원리에 근거해’ 설계하는 데 중요한 길잡이가 될 것으로 기대된다.

▶논문 제목: Beyond the Paddle-Wheel Mechanism: Hop Function Analysis of Ion Transport in Organic Ionic Plastic Crystals

▶저널명: Journal of the American Chemical Society (IF 16.6)

▶DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.6c04713