에너지硏, 고체산화물전지 성능 50% 높일 전극촉매 개발

등록 2023.08.17 16:06:15수정 2023.08.17 19:40:05

나노구조 세라믹…전지 성능·안정성 높여

기존 전지 대비 50% 이상 성능 향상

[대전=뉴시스] 다공성 전해질 구조체의 열린 기공 표면에만 선택적으로 LSC 나노 전극촉매 입자가 형성되는 개념도와 실제 미세조직 전자현미경 사진.(사진=에너지연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국에너지기술연구원은 연료전지연구실 이승복 박사팀이 필요에 따라 수소에서 전기를, 전력으로부터 수소를 생산하는 가역 고체산화물 전지의 성능과 내구성을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 전극촉매를 개발했다고 17일 밝혔다.

가역 고체산화물 전지(Reversible-Solid Oxide Cell)는 전기를 생산하는 연료전지 모드와 수소를 생산하는 수전해 모드의 양방향 운전이 가능한 전지다.

연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 결합해 전기와 물을 만드는 장치고 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 기술이다.

하지만 수전해 운전 중 공기극에서 발생하는 산소기체가 원활하게 배출되지 못하는 현상이 생겨 전지의 성능을 감소시키고 특히 외부로 산소가 배출되는 통로가 닫힌 기공(closed pore)에서 발생할 경우 높아진 압력으로 전극과 전해질이 박리되거나 전극이 파괴돼 고체산화물 전지의 안정성을 크게 저해한다.

이번에 연구진은 산소가 원활히 배출될 수 있는 열린 기공(open pore)에서만 산소가 생기고 닫힌 기공에서는 산소가 발생되는 것을 차단할 수 있는 새로운 나노 구조 세라믹 전극촉매를 개발해 가역 고체산화물 전지의 성능과 안정성을 크게 높였다.

이를 위해 연구진은 전해질(YSZ) 위에 미세한 다공성 구조를 갖는 세라믹 전해질(GDC)을 형성시킨 뒤 초음파분무 습식침투 공정을 통해 다공성 구조의 전해질 표면을 따라 LSC 공기극 촉매 용액을 고르게 분산시키고 고온 열처리 과정을 거쳐 불순물을 제거한 단일결정의 나노 전극촉매를 만드는데 성공했다.

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

또 연구진은 공기극 촉매 용액 조성 최적화를 통해 공기극에 50㎚ 크기의 나노 촉매입자를 균질하게 형성하는데 성공하고 이를 통해 연료전지와 수전해 운전에서 모두 기존 고체산화물 전지 대비 50% 이상 성능이 향상된 세계 최고 수준의 전극 성능을 확보했다.

이번 연구결과는 촉매·소재 분야 저명학술지 'Applied Catalysis B:Environmental(IF 22.1, 상위 0.9%)' 온라인판에 게재됐으며 오프라인에는 다음달 15일 게재될 예정이다.(논문명:Designing the nano-scale architecture of the air electrode for high-performance and robust reversible solid oxide cells)

연구책임자 이승복 박사는 "신개념 나노구조 공기극 기술은 고체산화물 연료전지와 고체산화물 수전해 전지에 모두 적용될 수 있는 확장성이 뛰어난 기술"이라며 "향후 가역 고체산화물 전지의 성능과 내구성 향상을 위한 중요한 연구 결과로 활용될 것으로 기대된다"고 말했다.

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