한국에너지공과대학교(KENTECH) 에너지공학부 2학년 김대혁 학생이 물리학 분야 상위 1~3% 저널인 『Physical Review E』에 제1저자로 논문을 게재했다. 학부생이 세계적 권위의 물리학 저널에 제1저자로 등재된 사례는 드물다. 이번 연구는 배터리 성능을 좌우하는 전해질 내부의 분자 수준 메커니즘을 규명한 것으로, 농축 전해질(dense electrolyte) 조건에서 나타나는 구조적·동역학적 전이 현상을 물리적 틀 안에서 정량 분석했다는 점에서 의미를 갖는다.
전해질은 배터리 내부에서 이온이 이동하는 매질로, 배터리의 에너지 밀도와 안전성에 직결되는 핵심 구성 요소다. 외형상 단순한 액체처럼 보이지만, 내부에서는 이온과 용매 분자들이 복잡하게 상호작용하며 집단적 구조를 형성한다. 최근 에너지 저장 효율을 높이기 위해 이온 농도를 크게 높인 ‘농축 전해질’이 주목받고 있다. 그러나 농도가 증가하면 이온 간 상호작용이 비선형적으로 변화하며, 기존 희석 용액 이론으로는 설명하기 어려운 현상이 나타난다. 구조 변화와 실제 전도 특성이 반드시 동일한 방식으로 반응하지 않는다는 점이 연구의 출발점이었다.
김대혁 학생은 컴퓨터 분자동역학 시뮬레이션을 활용해 전해질 농도를 단계적으로 변화시키며 이온 배열 구조와 이동 특성을 정밀 분석했다. 그 결과, 전해질 내부에서 이온들이 집단적으로 형성하는 장거리 구조의 변화와 실제 전도도(이온 이동 속도)의 변화가 서로 다른 임계 농도 조건에서 나타날 수 있음을 확인했다. 이는 전해질 설계에서 구조적 재배열이 시작되는 지점과 이온 이동성이 급격히 변화하는 지점이 일치하지 않을 수 있음을 의미한다. 다시 말해, 농축 전해질을 이해하고 설계할 때 구조와 동역학을 분리해 해석해야 한다는 새로운 관점을 제시한 것이다.
이번 연구는 과거 켄텍에서 전해질 이론 연구를 수행했던 김정민 교수(현 부산대학교)가 대표 교신저자로 참여했고, 제주대학교 권태진 교수가 공동 교신저자로 연구를 이끌었다. 김대혁 학생은 연구 설계, 시뮬레이션 수행, 데이터 분석까지 전 과정을 주도적으로 수행했다. 논문 제목은 「Structural and dynamical crossovers in dense electrolytes」로, 농축 전해질에서 나타나는 구조적 전이와 동역학적 전이를 통합적으로 분석한 연구다. 김정민 교수는 서로 다른 전해질 시스템을 하나의 공통된 물리적 틀 안에서 이해할 수 있는 기반을 마련했다는 점을 연구의 의의로 제시했다.
배터리 성능을 높이기 위한 전해질 설계는 단순히 농도를 높이는 문제가 아니라, 이온 집단 구조 형성과 이동 메커니즘의 상호작용을 정밀하게 제어하는 문제다. 이번 연구는 농축 조건에서 구조적 변화가 곧바로 이동 특성 개선으로 이어지지 않을 수 있음을 보여줌으로써, 고농도 전해질 설계 전략에 이론적 기준점을 제공한다. 전해질은 배터리뿐 아니라 다양한 에너지 저장 및 변환 기술에서 공통적으로 활용되는 매질이다. 구조 전이와 동역학 전이를 구분하는 물리적 접근은 차세대 고에너지 밀도 배터리 설계에도 적용 가능성이 있다.
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