플라스틱 열분해 모사로 난흑연화성 탄소 형성 경로 추적…배터리 성능은 시험 안 해

옥스퍼드대 연구진이 28일 학술지 《Chemical Science》에 공개한 연구에서 고분자 폴리염화비닐리덴(PVDC)이 열을 받아 난흑연화성 탄소로 바뀌는 과정을 원자 단위 계산으로 추적했다. 탄소 원자들이 결합하는 과정에서 생긴 비육각형 고리가 평평한 흑연층 형성을 방해한다는 설명이다.

염소·수소가 빠져나간 자리에 탄소 결합

연구진은 기계학습으로 만든 원자 간 상호작용 모델을 분자동역학 계산에 적용했다. PVDC의 탄소·염소 결합이 끊어지고 염소와 수소가 염화수소로 떨어져 나가면서 반응성이 높은 탄소 자리가 생겼다. 이어 서로 다른 고분자 사슬이 탄소 결합으로 연결돼 굽은 탄소망을 이뤘다.

계산에서 이 탄소망에는 육각형뿐 아니라 오각형과 칠각형 고리도 남았다. 연구진은 이런 고리가 탄소층에 굴곡을 만들어, 열을 가해도 흑연처럼 나란히 쌓이기 어려운 구조의 한 원인이라고 해석했다. 논문은 기존 실험의 밀도와 열분해 산물 자료를 계산 결과와 대조했다.

실제 전지 성능으로 이어졌는지는 별개

난흑연화성 탄소는 나트륨이온전지의 음극 후보 물질이다. 미국 에너지부도 나트륨 전지 연구에서 리튬이온전지의 통상적인 흑연 음극과 다른 탄소 소재를 모색해 왔다고 설명한다. 하지만 이번 논문이 분석한 것은 특정 고분자의 열분해 경로다. 새 음극을 제작해 저장 용량이나 수명, 생산 비용을 비교한 시험은 아니다.

모사에서는 열분해가 일어나는 긴 제조 시간을 원자 움직임으로 계산할 수 있도록 가열 속도를 높이고 기체 분자를 주기적으로 제거했다. 따라서 계산에서 제시한 반응 순서가 모든 원료와 실제 공정 조건에서 그대로 나타난다고 볼 수는 없다. 고분자 종류와 제조 조건을 바꿔 전극의 구조·전기화학 특성까지 잇는 검증이 다음 과제다.

대표 이미지: AI 생성 이미지 / 데이마크

원문: https://arxiv.org/html/2606.21196v1

학술지 DOI: https://doi.org/10.1039/D6SC05974K

옥스퍼드대 발표: https://www.eurekalert.org/news-releases/1149305

미국 에너지부 배경자료: https://www.energy.gov/cmei/articles/does-energy-storage-grand-challenge-celebrates-womens-history-month