나노기술 및 정책 정보

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특정 분자는 빠르게 통과하고 다른 분자는 차단하는 막은 배터리 및 연료 전지에서 자원 정제 및 정수에 이르기까지 에너지 기술을 가능하게 하는 핵심 요소임. 통과할 수 있는 물질에 대한 매우 구체적인 기준을 가진 가장 선택적인 멤브레인은 배터리의 작동 이온에 대한 낮은 투과성으로 인해 배터리의 전력 및 에너지 효율을 제한함. 막 선택성과 투과성 간의 균형을 극복하기 위해 연구자들은 막 내 이온의 용해도와 이동성을 증가시켜 더 많은 수의 이온이 더 빠르게 막을 통과할 수 있도록 하는 방법을 개발하고 있음. 이를 통해 배터리 및 기타 에너지 기술의 성능이 향상될 수 있음.

미국 로렌스 버클리 국립 연구소의 연구진은 리튬 염에서 양전하를 띤 이온을 보유하는 기공에 분자 케이지를 내장한 고분자 막을 설계함. "용매 케이지"라고 불리는 이 케이지는 각 리튬 이온을 둘러싼 용매로 함께 작용하는 분자로 구성되어 있음. 연구진은 용매 케이지가 표준 멤브레인에 비해 멤브레인을 통한 리튬 이온의 흐름을 몇 배나 증가시키는 것을 발견함. 이 멤브레인은 고전압 배터리 셀이 전기 자동차와 항공기 모두에 중요한 요소인 더 높은 전력과 더 효율적으로 작동할 수 있도록 함.

연구진은 리튬 이온을 용해시키는 멤브레인의 케이지 설계를 정확히 찾아내기 위해 널리 사용되는 약물 발견 프로세스를 찾음. 신약 발견에서 관심 있는 생물학적 분자에 결합하는 것을 찾아내기 위해 다양한 구조를 가진 작은 분자의 큰 라이브러리를 구축하고 스크리닝하는 것이 일반적임. 이러한 접근 방식을 뒤집어 연구진은 다양한 기공 구조를 가진 막의 큰 라이브러리를 구축하고 스크리닝함으로써 리튬 이온을 일시적으로 보유할 케이지를 식별할 수 있을 것이라고 가정함. 개념적으로 막의 용매 케이지는 저분자 약물이 표적화하는 생물학적 결합 부위와 유사함.

연구진은 폴리머 멤브레인의 여러 길이 규모에 걸쳐 기능적 및 구조적 다양성을 도입하기 위한 간단하지만 효과적인 전략을 고안함. 이러한 전략에는 리튬 이온에 대한 용매화 강도가 다른 케이지 설계와 상호 연결된 기공 네트워크에 케이지 배열이 포함되었음.

이러한 전략을 사용하여 가능한 막의 대규모 라이브러리를 체계적으로 준비함. 연구진은 각각의 실험을 통해 특정 모양과 구조가 리튬 이온을 선택적으로 포착하고 운반하는 데 가장 적합한 기공을 만든 주요 후보를 결정함. 그런 다음 고급 핵 자기 공명 기술을 사용하여 리튬 이온이 폴리머 멤브레인 내에서 다른 것들과 비교하여 배터리의 이온이 어떻게 흐르는지 밝힘.

용매 케이지는 멤브레인의 리튬 이온 농도를 증가시킬 뿐만 아니라 멤브레인의 리튬 이온이 반대 음이온보다 빠르게 확산되는 것을 발견함. 리튬 염이 막에 들어갈 때 케이지에서 리튬 이온의 용매화는 이러한 음이온의 흐름을 차단하는 층을 형성하는 데 도움이 됨.

새로운 막의 작용에 대한 분자적 이유를 더 이해하기 위해 연구진은 컴퓨팅 리소스를 사용하여 계산을 수행하여 리튬 이온이 멤브레인 기공의 케이지와 결합할 때 발생하는 용매화 효과의 정확한 특성을 결정함. 이러한 용매화 효과로 인해 리튬 이온이 용매 케이지가 없는 표준 멤브레인에서 보다 새로운 멤브레인에 더 많이 집중됨.

마지막으로 연구진은 실제 배터리에서 멤브레인이 어떻게 작동하는지 조사하고 배터리 충전 및 방전 중에 리튬 이온이 리튬 금속 전극에 수용되거나 방출되는 용이성을 확인함. X-ray 도구를 사용하여 새로운 멤브레인으로 전극이 분리된 변형된 배터리 셀을 통해 리튬이 흐르는 것을 관찰함. X-ray 이미지는 표준 멤브레인을 사용하는 배터리와 달리 리튬이 전극에 부드럽고 균일하게 증착되어 멤브레인의 용매 케이지 덕분에 배터리가 빠르고 효율적으로 충전 및 방전되었음을 나타냄.

향후 연구진은 멤브레인 라이브러리를 확장하고 청정 에너지 기술에서 관심 있는 다른 이온 및 분자에 대한 향상된 수송 특성을 위해 이를 선별할 것임.

본 연구 성과는 Nature ("Diversity-oriented synthesis of polymer membranes with ion solvation cages")에 게재됨.