포타슘-이온 전지는 전 세계적인 리튬 부족 문제를 해결하기 위한 유망한 대안으로 주목받고 있다. 그러나 K-이온 삽입 과정에서 흑연 전극이 심각하게 팽창함으로써 전기화학적 성능이 크게 저해된다. 본 연구에서는 전기화학적 거동과 기계적 거동을 모두 분석하기 위해, 3차원 입자 네트워크 모델에 밀도범함수이론 계산으로부터 도출된 확산계수와 기계적 성질을 통합하는 포괄적 다중스케일 모델링 접근법을 제시한다. 연구 결과, K-이온 농도는 확산계수, 영률(Young's modulus), 전단탄성률(shear modulus)과 같은 재료 특성에 영향을 미치며, 이는 포타슘-흑연 삽입 화합물의 전기화학적 성능과 기계적 안정성에 중대한 영향을 준다는 점을 보여준다. 특히, 본 연구는 K-이온 농도가 더 낮음에도 불구하고 KC24가 KC16에 비해 우수한 기계적 성질을 나타낸다는 사실을 밝혀냈는데, 이는 정전기적 상호작용의 강화에 기인한다. 또한 재료 특성의 농도 의존성은 전기화학적 및 기계적 모델링의 정확성을 위해 중요하며, 상수값을 사용하면 상당한 불일치가 발생한다. 본 연구의 결과는 포타슘-이온 전지를 정밀하게 예측하고 최적화하기 위해 K-이온 농도와 staging 전이 전반을 고려하는 것이 중요함을 강조한다. 아울러 본 연구는 고도화된 모델링 기법을 통해 기계적 열화를 완화하고 포타슘-이온 전지 성능을 향상시키기 위한 향후 연구의 기반을 마련한다.

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