전기출력 1.5배 향상된 고체산화물전지 전극 개발…고온 적용은 "처음"

UNIST-POSTECH-서울대-중국 난징정보과기대 공동

UNIST는 저온에서 주로 쓰이던 이중층수산화물을 활용해 고온에서도 잘 작동하는 고체산화물전지 핵심 원천 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

연구에는 UNIST 조승호 신소재공학과 교수와 POSTECH 안지환 교수, 서울대 한정우 교수, 중국 난징정보과학기술대학교 부윈페이 교수 등의 연구팀이 이중층수산화물을 이용해 고온에서도 성능이 떨어지지 않는 고체산화물전지(SOC) 전극을 개발했다.

이중층수산화물은 원자 수준에서 다양한 금속을 균일하게 배치할 수 있는 2차원 층상 구조체다. 정교한 촉매 설계를 위한 프레임워크 역할을 한다.

고성능 고체산화물전지 전극 개발한 연구진. 왼쪽부터 조승호 UNIST 교수, 안지환 POSTECH 교수, 한정우 서울대 교수, 김현민 UNIST 연구원, 김윤서 UNIST 연구원, 서화경 서울대 연구원.(사진=UNIST)

또 고체산화물전지는 고온에서 작동하는 친환경 에너지 변환 장치다. 심야 전기로 다시 수소를 만들거나 온실가스인 이산화탄소를 분해해 산업용 가스인 일산화탄소를 만들 수도 있다.

조승호 교수는 "이중층수산화물 활용을 고온 전기화학 분야로 확장시킨 최초 사례"라며 "차세대 에너지 전환 장치인 고체산화물전지 상용화를 위한 핵심 원천 기술을 확보했다는 의의가 있다"고 설명했다.

이번에 개발한 기술은 전극이 지지체와 촉매 모두 금속으로 이뤄져 있어 내구성이 뛰어나다. 기존 전극은 세라믹과 금속 간 구조 차이로 600℃ 이상 고온에서 장기 사용시 금속 촉매가 뭉치거나 떨어져 나가는 문제가 있다.

전극은 800℃에서 수소를 연료로 사용했을 때 기존 전극보다 약 1.5배 향상된 최대 출력(1.57 W/cm²)을 기록했다. 또 전기를 주입해 이산화탄소를 분해, 일산화탄소를 생산하는 실험에서도 200시간 동안 안정적으로 작동했다.

연구팀은 또 첨가제(GDC)를 전극에 넣어 반응에 필요한 산소가 빠르게 공급되도록 했다.

첨가제 유무에 따른 금속 촉매 입자의 구조 변화. GDC가 없는 경우 구조가 변형된다.

조승호 교수는 “전극 교체를 줄여 장치 운영 비용을 낮춤으로써 고체산화물전지 대중화에 기여할 수 있을 것”이라며 “수소와 전기 생산, 이산화탄소 업사이클링까지 연결되는 기반 기술”이라고 설명했다.

연구는 UNIST 김현민 에너지화학공학과 연구원(현 미국 스탠포드대학교), 김윤서 신소재공학과 졸업생(현 KIST 연구원), 서울대학교 서하경 재료공학부 연구원이 제1저자로 참여했다.

연구 성과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 게재됐다.