고체형 전지는 두 개의 전극 사이에서 이온을 밀어내었다가 다시 돌려서 전하를 저장하고 방출하는 방식으로 작동합니다. 일반적으로 우리가 보기에는 이온들이 전지의 고체 전해질 안을 부드럽게 흐른다고 생각하지만 원자 수준에서 볼 때 그 정확한 흐름은 환상일 뿐입니다. 개별 이온들은 전해질의 넓은 원자 격자 내에서 예측하기 어렵고 트리거와 감지가 어려운 불규칙하게 이동합니다.
하지만 이번 연구에서는 이 불규칙하게 움직이던 이온들에게 레이저 광을 펄스로 쏘아주는 방식으로 전압을 가하였습니다. 이에 대해 연구진은 놀라운 사실을 발견하였는데, 대부분의 이온들은 잠깐 동안 반대 방향으로 이동한 다음 이전 위치로 돌아와서 더 이상 규칙적이지 않은 이동을 계속하는 것으로 보였습니다. 이는 이온들이 어떤 의미에서 이전 위치를 기억한다는 첫 번째 증거였습니다.
연구진은 에너지부의 SLAC 국립가속기연구소, 스탠포드 대학교, 옥스포드 대학교, 뉴캐슬 대학교의 연구팀으로 구성되어 있으며, 이번 실험 결과는 1월 24일자 Nature에 발표되었습니다.
전기적인 콘 스타치
옥스퍼드 대학의 박사 후 연구원인 Andrey D. Poletayev는 “이온들은 콘 스타치와 물의 혼합물과 같이 동작한다고 생각할 수 있습니다. 우리가 이 콘 스타치 혼합물을 부드럽게 밀면 액체처럼 동작하지만, 때려 밀면 고체가 됩니다. 전지의 이온들은 전자적인 콘 스타치처럼 작용합니다. 레이저 광의 충격에 반동을 일으키며 다시 뒤로 움직입니다.”라고 설명합니다.
이온들의 “흐릿한 기억”이라고 표현하는 Poletayev에 따르면, 이 기억은 단지 몇 초 동안 지속됩니다. 하지만 이러한 존재를 알게 된다는 것은 과학자들이 여행하는 이온들의 다음 이동을 처음으로 예측할 수 있게 해줄 것입니다. 이는 새로운 재료의 발견과 개발에 있어서 중요한 고려사항입니다.
속도에 최적화된 전해질
SLAC의 레이저 실험실에서 실험하기 위해 연구진은 베타 알루미나라고 불리는 재료 종류의 얇고 투명한 결정체인 고체 전해질을 사용했습니다. 이러한 재료들은 전도도가 높은 전해질로 처음 발견되었습니다. 그들은 이온이 빠르게 이동할 수 있는 작은 채널을 포함하고 있으며, 액체 전해질보다 안전한 이점이 있습니다. 베타 알루미나는 고체형 전지, 나트륨-황전지 및 전기화학적 셀에 사용됩니다.
베타 알루미나의 채널을 통해 이온들이 이동하는 동안, 연구진은 레이저 광의 펄스를 몇 나노초 동안 가해주고, 이를 통해 전해질로부터 나오는 빛을 측정했습니다. 레이저 펄스와 측정 사이의 시간을 변화시킴으로써 연구진은 이온의 속도와 선호하는 방향이 레이저 충격 이후 몇 나노초 동안 어떻게 변하는지 정밀하게 결정할 수 있었습니다.
기사에 기반한 FAQ 섹션:
Q: 고체형 전지는 어떻게 작동하나요?
A: 고체형 전지는 두 개의 전극 사이에서 이온을 저장하고 방출하기 위해 이온을 밀어내었다가 다시 돌리는 방식으로 작동합니다.
Q: 전해질이란 무엇인가요?
A: 전해질은 고체 전지 내에서 이온의 흐름을 허용하는 물질입니다.
Q: 이온들은 어떻게 움직이나요?
A: 이온들은 전해질의 원자 격자 내에서 불규칙하게 이동하며, 이동 방향이 예측하기 어렵습니다.
Q: 레이저 광이 어떻게 이온에게 전압을 가하나요?
A: 이번 연구에서는 불규칙하게 움직이던 이온들에게 레이저 광을 펄스로 쏘아주는 방식으로 전압을 가했습니다.
Q: 이온들은 이전 위치를 기억하나요?
A: 연구 결과, 대부분의 이온들은 잠깐 동안 반대 방향으로 이동한 다음 이전 위치로 돌아와서 규칙적이지 않은 이동을 계속하는 것으로 나타났습니다. 이는 이온들이 이전 위치를 일부 기억한다는 첫 번째 증거입니다.
Q: 베타 알루미나란 무엇인가요?
A: 베타 알루미나는 고체 전지, 나트륨-황전지 및 전기화학적 셀에 사용되는 전도도가 높은 전해질로 알려진 재료입니다.
Q: 베타 알루미나의 특징은 무엇인가요?
A: 베타 알루미나는 전도도가 높고 작은 채널을 포함하고 있어 이온의 빠른 이동을 가능하게 합니다. 또한, 액체 전해질보다 안전한 이점이 있습니다.
Q: 실험 결과가 어디에서 발표되었나요?
A: 이번 실험 결과는 1월 24일자 Nature에 발표되었습니다.
추천 링크:
– SLAC 국립가속기연구소
– 스탠포드 대학교
– 옥스포드 대학교
– 뉴캐슬 대학교