휴대전화 충전부터 수소 생산까지, 에너지 기술의 성능을 좌우하는 핵심 원리가 국내 연구진에 의해 규명됐다.

KAIST·POSTECH·UNIST 공동 연구팀은 전기화학 반응이 일어나는 ‘전기 이중층’에서 분자 구조가 변화하는 과정을 밝혀냈다고 3일 밝혔다.

전기화학 반응은 전극과 전해질이 맞닿는 매우 얇은 영역에서 일어난다. 이 공간에서는 전해질 농도가 높아질수록 전기 저장 능력의 패턴이 바뀌는 현상이 관찰돼 왔지만, 그 원인은 명확히 설명되지 못했다.

연구팀은 실험과 시뮬레이션을 통해 그 원인을 확인했다. 전압이 가해지면 한쪽에서는 물 분자가 일정한 방향으로 정렬되고, 다른 쪽에서는 이온이 표면에 밀집해 구조를 형성하는 현상이 동시에 나타났다.

이 두 변화가 전기 저장 능력의 형태를 결정하며, 전해질 농도가 높아질수록 두 현상이 하나로 합쳐지면서 그래프 형태가 ‘두 봉우리’에서 ‘하나의 봉우리’로 바뀌는 것으로 나타났다.

연구팀은 이러한 변화를 조건별로 정리한 ‘상도표’를 제시하고, 실시간 분광 실험을 통해 이를 검증했다.

연구팀은 이번 성과가 배터리 충전 속도 향상과 수소 생산 효율 개선 등 에너지 기술 고도화에 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.