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대덕밸리과학소식/KAIST

리튬의 특이한 성질, 새로운 에너지 재료 가능성

일반적으로 물질은 압력이 높아지면 더욱 빽빽하고 규칙적인 고체 결정질이 됩니다.

그런데 리튬은 초고온, 초고압 같은 극한 환경에서 기존에 알려지지 않았던 새로운 비결정질로 상전이(phase transition) 현상을 일으킬 수 있다는 새로운 사실이 규명됐습니다.
 
상전이는 물질의 상태가 온도, 압력, 전자기장 같은 외부 조건에 따라 한 상(phase)에서 다른 상으로 변하는 현상을 의미합니다.

김형준 박사

KAIST 김형준 박사와 EEWS 대학원 고다드 교수(캘리포니아공대)는 2차 전지의 주재료인 리튬이 10,000K의 초고온과 100GPa의 초고압에서 극한 상황에 놓이면, 기존의 결정질 구조에서 전혀 새로운 비결정질 고체(액체와 고체의 중간형태)로 상전이 현상을 일으킬 수 있음을 밝혀냈습니다.
 
리튬은 초고압과 초고온의 조건에 놓이면 오히려 성기고 불규칙적인 비결정질 상을 형성할 수 있는데, 연구팀은 이것이 극한 환경에서 일어나는 전자전이 효과가 원인임을 알아냈습니다.

이번 연구결과는 자연과학분야의 권위 있는 학술지인 '미국립과학원회보(PNAS)' 8월 25일자에 게재됐습니다.
(논문명 : High-temperature high-pressure phases of lithium from electron force field (eFF) quantum electron dynamics simulations) 

초고온, 초고압 조건 내에서 형성되는 리튬의 비결정질 구조의 원자 수준 구조 모형


 용 어 설 명

상전이(phase transition) :
물질의 상태가 온도, 압력, 혹은 전기장/자기장과 같은 외부 조건에 따라 한 상(phase)에서 다른 상(phase)으로 변하는 현상을 말한다. 흔한 예로는 온도가 높아짐에 따라 얼음에서 물로(기체가 액체로 변하는 액화), 물에서 수증기로(액체가 기체로 변하는 기화) 변하는 현상을 들 수 있으며, 드라이아이스에서 일어나는 고체가 액체 과정을 거치지 않고 기체로 변하거나 기체가 바로 고체가 되는 승화도 상변이의 한 형태이다.

비결정질 고체(amorphous solid) :
원자들의 위치에 장거리 질서가 존재하지 않는 고체를 뜻한다. 액체와 고체의 중간적인 형태를 띠고 있으며, 비결정질 고체에 속하지 않는 고체를 결정질이라 한다. 일반적으로 대부분의 고체는 결정질 고체이지만, 비결정질 고체도 주위에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 가장 흔한 예로는 유리창을 들 수 있고, 폴리스틸렌 등의 중합체도 이에 속한다.

전자전이 (electron excitation) :
원자와 분자에서, 전자가 가장 안정한 상태인 바닥 배치상태에서 에너지가 높은 들뜬 전자 배치상태로 변이하는 것을 일컫는다. 이러한 전이는 외부에서 에너지가 주어지는 경우에 일어나게 되는데, 주로 빛의 흡수에 따른 빛에너지의 주입이 한 예이고, 본 연구의 경우에는 고온/고압에 의해서 전자전이가 일어나게 되는 것이다. 물질 특성, 특히나 금속의 물질 특성은 전자에 의해서 좌우되는데, 전이 후에 들뜬 상태의 전자는 바닥상태의 전자와는 그 성격에 매우 다르기 때문에 특이한 성질을 보이는 주원인이 된다.