친환경 연료전지 재료 효율 향상된다

전기전도도 10배 향상된 고체전해질 개발

친환경 연료전지에 활용되는 나노구조재료인 박막형 고체전해질의 효율을 끌어올리는 방법이 발견됐다.

한국과학기술연구원은 이종호 고온에너지재료연구센터 박사팀이 박막형 고체 산화물 전해질의 내부 응력을 조절해 기존 재료보다 높은 전기전도도를 가지는 고체전해질을 개발했다고 30일 밝혔다.

그간 실험적으로 제어하기 어려운 변수와 재현하기 힘든 실험 결과로 인해 고성능의 나노구조재료를 실제 에너지 시스템에 적용하는데 한계가 있었고, 고성능이 발현되는 정확한 매커니즘조차 규명하는데 어려움이 있었다.

이에 KIST 연구진은 전도성 기판을 이용해 전기전도도 측정 시 실험적 오차를 발생시키는 요인들을 효과적으로 제거할 수 있는 실험기법을 설계했다.

또 나노구조에서 발생하는 내부 응력을 정량적으로 평가할 수 있는 고분해능의 분석장비를 도입, 나노구조 고체전해질 박막의 내부응력 제어를 통해 이온전도도를 효과적으로 향상시킬 수 있는 새로운 설계 기법을 제시했다.

(좌측)박막 고체전해질의 내부응력에 의한 산소이온전도도 향상 메커니즘 모식도. (우측)실제 박막 내 작용하는 응력과 산소이온전도 에너지장벽 간 상관관계 실험결과.

이종호 박사팀은 고체전해질을 박막으로 성장시켰을 때 발생하는 응력을 이용하면 재료의 원자 간 거리를 제어할 수 있고, 이를 통해 고체전해질 내 이온이 이동할 때 필요한 에너지장벽을 낮춰 기존 고체전해질 고유의 물성 보다 약 10배 이상 높은 전기전도도를 보이는 박막 고체전해질을 개발할 수 있다고 설명했다.

이종호 KIST 박사는 “이번 연구는 원자스케일에서 재료의 물성을 설계하는 새로운 패러다임을 제시한 연구"라며 "고성능의 박막 고체전해질을 실제 친환경 에너지 시스템에 적용, 획기적으로 향상된 성능의 연료전지를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

본 연구 결과는 나노기술 분야의 저명 학술지 ‘나노레터’ 최신호에 게재됐다.