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누리온 슈퍼컴퓨터로 수행한 고성능 LiCoPO4 양극재 합성 원리

차세대 에너지 저장 장치의 핵심인 리튬 이차전지 개발에서 가장 큰 과제 중 하나는 양극재의 이론적 용량을 실제로 구현하는 것입니다. 카이스트 서동화 교수 연구팀은 리튬 코발트 인산염 양극재를 활용해 이 한계에 도전했습니다. 연구팀은 소재의 잠재력을 극대화하기 위해 원자 수준에서의 변화를 정밀하게 분석하는 데 집중했습니다. 그 결과, 약 163mAh/g이라는 이론적 용량에 근접한 성능을 달성하며 국제 학술지에 성과를 올렸습니다. 이는 단순한 수치적 향상을 넘어, 소재 내부에서 일어나는 원리를 규명함으로써 고효율 이차전지 시대를 여는 중요한 이정표가 되었습니다. 성능 향상의 핵심은 합성 과정에서 사용되는 용매가 결정의 성장 방향에 미치는 영향을 밝혀낸 데 있습니다. 연구팀은 에틸렌 글리콜과 물이라는 두 가지 용매 환경을 비교 분석했습니다. 실험 결과, 에틸렌 글리콜을 용매로 사용할 때 결정이 c축 방향으로 성장한다는 사실을 확인했습니다. 이러한 특정한 성장 방식은 리튬 이온이 이동하는 통로인 a축과 b축 방향으로의 확산을 원활하게 만들어 이차전지 성능을 획기적으로 끌어올리는 결정적인 요인이 되었습니다. 이는 원자 수준에서 결정 구조를 제어할 수 있는 새로운 가능성을 제시하며 이차전지 설계의 새로운 패러다임을 보여주었습니다. 이러한 정밀한 분석과 혁신적인 성과는 슈퍼컴퓨터를 활용한 분자동역학 시뮬레이션 덕분에 가능했습니다. 연구실의 일반적인 계산 자원으로는 막대한 시간이 소요될 작업을 슈퍼컴퓨터의 강력한 연산 성능으로 해결하며 고효율의 연구 프로세스를 구축했습니다. 이번 연구는 단순한 성능 개선을 넘어 차세대 고용량 이차전지 소재의 설계 원리를 정립했다는 점에서 높은 평가를 받고 있습니다. 이러한 원천 기술의 확보는 앞으로 우리가 더 안전하고 오래가는 이차전지를 일상에서 누릴 수 있게 하는 미래 에너지 혁신의 든든한 초석이 될 것입니다.

[케미스트리 실험실] 약 하는 박사님과 과학쿠키_아스피린(2)

아스피린 합성 실험은 화학의 기초적인 합성 원리와 정제 과정을 한눈에 볼 수 있는 흥미로운 과정입니다. 살리실산과 무수 아세트산, 그리고 촉매인 황산이 섞인 반응 혼합물 속에는 아스피린뿐만 아니라 반응하지 않은 원료와 부산물인 아세트산 등이 공존합니다. 이를 효과적으로 분리하기 위해 먼저 증류수를 첨가하여 과량의 무수 아세트산을 아세트산으로 변환시키는 과정이 필요합니다. 물에 대한 용해도가 낮은 아스피린은 이 단계에서 서서히 석출될 준비를 하며, 화학적 성질 차이를 이용한 분리 및 정제의 기초가 마련됩니다. 석출된 결정을 효율적으로 얻기 위해서는 온도 조절이 관건입니다. 아이스 배스를 이용해 용액의 온도를 급격히 낮추면 물질의 용해도가 감소하여 하얀 결정이 더욱 활발하게 생성됩니다. 이는 일상적인 요리 과정에서 재료를 식히는 것과 유사한 원리로, 온도가 낮을수록 용해도가 떨어지는 성질을 극대화하여 물에 녹지 않는 고체 성분을 강제로 뽑아내는 것입니다. 뿌옇게 변하는 용액은 마치 우유와 같은 시각적 변화를 보이며, 이 과정이 진행됨에 따라 플라스크 바닥에는 우리가 원하는 아스피린의 초기 형태가 쌓이게 됩니다. 다음 단계는 생성된 고체 결정을 액체로부터 분리하는 감압 여과 과정입니다. 진공 펌프를 연결하여 기압 차이를 이용하면 액체가 필터를 빠르게 통과하며 하얀 눈과 같은 결정만 남게 됩니다. 이렇게 얻어진 결과물을 정제 전의 상태인 크루드(Crude) 생성물이라고 부르는데, 여기에는 여전히 소량의 살리실산이나 불순물이 포함되어 있을 가능성이 큽니다. 따라서 더 높은 순도의 의약품을 얻기 위해서는 단순히 걸러내는 것 이상의 정밀한 정제 기술인 재결정 과정이 필수적으로 수반되어야 고품질의 결과물을 기대할 수 있습니다. 재결정은 에탄올과 물의 용해도 차이를 정교하게 이용하는 고도의 정제법입니다. 먼저 에탄올에 크루드(Crude) 생성물을 녹인 후 히팅 건으로 가열하여 용해도를 최대한 높여 투명한 상태로 만듭니다. 여기에 다시 물을 조금씩 첨가하면 아스피린이 순간적으로 석출되는데, 이때 천천히 온도를 낮추는 것이 매우 중요합니다. 급격한 변화보다는 시간을 두고 서서히 결정을 성장시켜야 불순물이 섞이지 않은 고순도의 화합물을 얻을 수 있기 때문입니다. 이 과정을 통해 처음에 보았던 가루 형태와는 다른 정교한 구조의 결정을 마주하게 됩니다. 정성 들여 완성된 아스피린은 반짝이는 바늘 모양(니들)을 띠며 화학 합성의 아름다움을 보여줍니다. 110년이 넘는 역사 동안 매년 수천만 개씩 생산되며 인류의 고통을 덜어준 이 약 뒤에는, 수많은 연구원의 부단한 노력과 정밀한 실험 과정이 숨어 있습니다. 새로운 물질을 창조하는 합성 연구는 신약 개발뿐만 아니라 농약 등 다양한 분야와 접점을 가지며 세상을 이롭게 합니다. 호기심을 바탕으로 한 끊임없는 시도와 탐구 정신이야말로 화학이 인류에게 선사하는 진정한 가치이자 과학 발전의 원동력이라 할 수 있습니다.

결정성장

누리온 슈퍼컴퓨터로 수행한 고성능 LiCoPO4 양극재 합성 원리

한국과학기술정보연구원초고성능컴퓨터! 슈퍼컴퓨터

[케미스트리 실험실] 약 하는 박사님과 과학쿠키_아스피린(2)

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