고려대학교(총장 정진택)는 유승호 화공생명공학과 교수 연구팀(제1저자 엄지현·김애화 박사)이 헥터 아부르냐 코넬대학교 교수(공동교신저자) 연구팀과의 공동연구를 통해 셀레늄 양극의 실시간 구조 변화를 규명하고 전착되는 셀레늄의 경쟁적인 핵 형성 및 성장 거동을 밝혔다고 21일 밝혔다.

이를 통해 전해질에 녹아나는 중간물질을 포함하는 다양한 칼코겐(산소족 원소) 기반의 양극재 설계에서 핵 형성 우선의 전착조건을 고려하는 새로운 방향성을 제시했다.

이번 연구성과는 국제 저명 학술지 '에너지 & 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science, IF=38.532) 2월 15일자 온라인판에 게재됐다.

유승호 교수팀은 전극의 구동과 함께 특성 분석이 이뤄지는 오페란도(Operando) 조건에서의 방사광 엑스-선(X-ray) 이미징 분석을 활용해, 셀레늄 양극의 충·방전 과정에서의 실제 반응을 실시간 직접 관찰했다.

위상 대비(Phase contrast)가 향상된 투과 엑스-선 현미경과 X-선 흡수 분광법을 통해 얻은 X-선 흡수끝머리 부근 미세구조의 이미징 기법으로 얻은 화학종 상태 분포도 분석을 수행해 충·방전 시 액상의 폴리셀레나이드에서 전착되는 셀레늄과 리튬 셀레나이드를 핵 형성에서부터 성장에 이르기까지 전 과정을 최초로 실시간 모니터링했다.

이와 함께 개별적인 핵 형성 반응을 추적하여 기존 핵의 성장과 추가적인 핵 형성 사이에 놓은 폴리셀레나이드의 농도에 따른 경쟁관계를 규명했으며, 나아가 핵 형성 우선조건을 유도해 셀레늄 활물질의 높은 가역성을 이끌어냈다.

유승호 교수는 "이번 연구에서 규명한 셀레늄 양극의 반응 메커니즘과 제시된 핵 형성 우선의 전지 구동조건은 다양한 칼코겐 원소를 기반으로 하는 차세대 전지들의 성능과 안정성을 높이는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구자 지원사업 및 4단계 BK21 사업의 지원으로 수행됐다.