- 전극 미세조직 최적화를 통해 고온 연료전지/수전해 장치의 수명 향상 새 지평 열어

- 초음파분무 습식침투 공정 적용 대면적 고체산화물 전지 상용화 기술 적용 가능

- 닫힌 기공 내부 산소 발생을 억제해, 가역 고체산화물 전지의 수명 획기적 향상

- 촉매·소재 분야 저명 학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental(상위 0.9%)’ 논문 게재

■ 한국에너지기술연구원(원장 이창근) 연료전지연구실 이승복 박사 연구진이 필요에 따라 수소로부터 전기를, 전력으로부터 수소를 생산하는 가역 고체산화물 전지*의 성능과 내구성을획기적으로 높이는 새로운 개념의 전극촉매를 개발했다.

* 가역 고체산화물 전지(Reversible-Solid Oxide Cell, r-SOC): 산소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물(산화지르코늄(ZrO₂)이나 세리아(CeO₂) 등)를 전해질로 사용하는 세라믹 전지로, 전기를 생산하는 연료전지 모드와 수소를 생산하는 수전해 모드의 양방향 운전이 가능한 전지

□ 연료전지는 수소를 공기 중 산소와 결합해 전기와 물을 만드는 장치이며, 수전해 전지는 물을 전기 분해해 수소와 산소를 생산한다. 이 기능을 동시에 수행하는 가역 고체산화물 전지는 재생에너지와 연계해 불규칙한 출력의 에너지는 수소로 저장하고, 전력수요가 급증할 때에는 수소로 전력을 제공할 수 있는 기술로 미래 에너지 전환에 중요한 역할을 할 것으로 보인다.

■ 이처럼 가역 고체산화물 전지는 에너지의 생산과 저장을 동시에 하는 탁월한 기술이지만, 수전해 운전 중 공기극에서 발생하는 산소기체가 원활하게 배출되지 못하는 현상은 결국 전지의 전체 성능을 감소시켜, 산소 배출을 원활하게 하는 것이 성능과 안정성에 중요한 요소이다.

□ 특히 이러한 문제는 외부로 산소가 배출될 수 있는 통로가 닫힌 기공(closed pore)에서발생할 경우, 높아진 압력으로 인해 전극과 전해질이 박리*되거나 전극이 파괴되어 고체산화물 전지의 성능과 안정성을 저해하는 심각한 요인이 된다.

* 박리(delamination): 전극, 전해질 등 다층구조를 갖는 고체산화물 전지의 층이 서로 벗겨지는 현상을 의미하며, 이 경우 벗겨진 부분에서 전기화학 반응이 일어날 수 없기 때문에 성능이 낮아지게 된다.

■ 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 산소가 원활히 배출될 수 있는 열린 기공(open pore)에서만 산소가 발생되고, 닫힌 기공에서는 산소가 발생되는 것을 차단할 수 있는 신개념 나노 구조 세라믹 전극촉매를 개발해 가역 고체산화물 전지의 성능과 안정성을 향상시켰다.

□ 연구진은 먼저 전해질(YSZ, Yttria Stabilized Zirconia) 위에 미세한 다공성 구조를 갖는 세라믹 전해질(GDC, Gd-Doped Ceria)을 형성시켰다. 그 후 초음파분무 습식침투 공정을 통해 다공성 구조의 전해질 표면을 따라 LSC 공기극 촉매 용액을 미세하고 고르게 분산시키고 고온 열처리 과정을 거쳐 불순물을 제거한 단일 결정의 나노 전극 촉매를 만드는데 성공했다.

<다공성 전해질 구조체의 열린 기공 표면에만 선택적으로 LSC 나노 전극촉매 입자가 형성되는 개념도>

* 초음파분무 습식침투(Ultrasonic spraying infiltration): 초음파분무 습식침투 공정은 미세한 떨림으로 첨가하는 침투용액 방울의 크기를 마이크로미터(약 10-6m) 단위로 감소시킬 수 있는 초음파장치를 이용해 대면적의전극에도 정량의 촉매를 균일하게 담지시킬 수 있다.

** LSC: ABO3 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물에서 A-자리에 란탄늄(Lanthanum, La), 스트론튬(Strontium, Sr)이, B-자리에 코발트(Cobalt, Co)가 첨가된 (La1-xSrx)CoO3-δ 조성 산화물

■ 연구진이 개발한 LSC 공기극은 다공성 세라믹 전해질의 열린 기공에만 증착되는 것을 확인했으며, 닫힌 기공 내부의 산소 발생을 원천적으로 차단해 20회 미만의 운전에도 전극이 쉽게 파괴되는 기존 전극의 주요 문제점을 성공적으로 해결했다.

■ 또한 연구진은 초음파분무 습식침투법 공정과 글리신(glycine) 착화제(Complexing agent)를 활용한 공기극 촉매 용액 조성 최적화를 통해 공기극에 50nm 크기의 나노 촉매입자를 균질하게 형성하는데 성공했다. 이를 통해 연료전지와 수전해 운전에서 모두 기존 고체산화물 전지 대비 50% 이상 성능이 향상된 세계 최고 수준의 전극 성능을 확보했다. 

■ 연구책임자인 이승복 박사는 “신개념 나노구조 공기극 기술은 고체산화물 연료전지와 고체산화물 수전해 전지에 모두 적용될 수 있는 확장성이 뛰어난 기술로, 향후 가역 고체산화물 전지의 성능과 내구성 향상을 위한 중요한 연구 결과로 활용 가능할 것”이라고 밝혔다.

■ 연구결과는 촉매·소재 분야 저명학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental(IF 22.1, 상위 0.9%)’에 게재됐으며, 오프라인에는 9월 15일에 최종 게재될 예정이다.

□ 이번 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업, 과학기술정보통신부 미래소재연구실 사업의 지원을 받아 수행됐다.