(데일리대구경북뉴스=황지현 기자)국립금오공과대학교(총장 곽호상) 기계공학부(기계공학전공/항공기계전자융합전공) 최시혁 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 최선희 박사, 한양대 김경학 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, ‘양방향 프로토닉 세라믹 전지용 고활성 공기극 신소재’ 개발에 성공했다.

이번 연구를 통해 700시간 이상 안정적인 전력과 그린 수소의 동시 생산이 가능한 차세대 에너지 전환 기술의 실현 가능성을 입증했다.

관련 연구의 논문 제목은 ‘Highly active air electrode with enhanced proton conduction via isovalent doping in a layered perovskite for reversible protonic ceramic cells(적층형 페로브스카이트의 등가 도핑을 통한 프로톤 전도 향상 기반 양방향 프로토닉 세라믹 전지용 고활성 공기극 개발)’이다. 이 논문은 에너지재료 과학 분야의 국제 저명 학술지인 ‘Advanced Functional Materials(상위 4.1%, IF 18.5)’에 6월 11일 온라인 출판됐다.

기존의 친환경 에너지 변환 기술로 주목받아 온 ‘양방향 고체산화물 세라믹 전지(Reversible solid oxide cells, R-SOCs)’는 산소 이온(O2-)의 전도를 통해 전력 생산과 수소 생산이 모두 가능하다.

이 시스템은 연료전지 및 수전해 기능을 하나로 통합한 장점이 있지만, 800℃ 이상의 고온 작동이 필요하기 때문에 시스템 비용이 증가할 뿐만 아니라 셀 열화로 인한 전지 성능 및 수명이 저하될 수 있고, 공기극과 전해질 간의 열기계적 불일치 등의 문제가 발생한다.

이를 보완하기 위해 개발된 ‘양방향 프로토닉 세라믹 전지(Reversible protonic ceramic cells, R-PCCs)’는 산소 이온보다 크기가 작고 활성화 에너지가 낮은 프로톤(H+)을 전하 운반체로 사용하여 작동 온도를 중저온 영역(400~600℃) 수준으로 낮출 수 있어 열적 안정성과 비용 측면에서 우수한 이점을 가진다.

다만, 낮은 작동 온도에서는 공기극에서의 산소 환원 반응(Oxygen reduction reaction, ORR)과 산소 발생 반응(Oxygen evolution reaction, OER)이 느리게 일어나 전기화학 성능을 저해하는 주요 원인이 된다.

특히, R-SOC에서 활용되는 혼합 이온-전자 전도체(Mixed ionic electronic conductor, MIEC) 기반 공기극은 R-PCC 적용 시 프로톤 전도성이 부족하여 전기화학 반응이 공기극 및 전해질 계면에만 제한되는 한계가 있다.

이를 해결하기 위해, 프로톤, 산소 이온, 전자(e-)가 모두 전도 가능한 삼중 이온-전자 전도체(Triple ionic-electronic conductor, TIEC)의 개발이 R-PCC의 핵심 전략으로 주목받고 있다.

국립금오공대 최시혁 교수 연구팀은 적층형 페로브스카이트(Layered perovskite) 소재에 전이 금속을 도핑하여 R-PCC용 공기극으로 새롭게 제안했다. 특히, 특정 원소를 선정하여 검증된 소재에 활용한 기존 연구들과 달리, 문헌 조사부터 데이터 생성, 데이터베이스 구축 및 활용에 이르는 체계적인 소재 설계를 추진하는 전략적인 접근을 시도했다.

연구팀은 이 과정에서 여러 전이금속 후보군 중 니켈(Ni) 도핑이 프로톤 결함 생성 측면에서 매우 우수한 특성을 나타냄을 확인하고, 이에 따라 니켈 도핑의 효과를 중점적으로 분석했다.

건조 및 수화 조건 아래에서 열중량분석(Thermogravimetric analysis, TGA)을 통해 프로톤 농도 및 열역학적 특성을 정량적으로 평가한 결과, 니켈(Ni) 농도가 증가할수록 프로톤 결함의 형성이 활발해짐을 실험 결과 확인했다.

또한, 밀도범함수 이론(Density functional theory, DFT) 계산을 통해 니켈이 페로브스카이트(perovskite) 격자 내 프로톤의 이동 장벽을 효과적으로 낮춰, 프로톤 전도 특성을 크게 향상시킴을 규명했다.

그 결과, 개발된 니켈 도핑 기반 공기극을 적용한 R-PCC는 600 및 500℃ 조건에서, 연료전지 모드로 1.30 및 0.60 W/cm-2의 최대 전력 밀도를, 수전해전지 모드(1.3 V 인가 시)로 −1.72 및 −0.41 A/cm-2 전류 밀도를 달성했으며, 700시간에 걸친 장기 양방향 구동 환경에서도 우수한 안정성을 유지했다.

제1저자로 참여한 국립금오공대 윤지원(기계공학부 기계공학전공/항공기계전자융합전공 석박통합과정) 학생은 “이번 연구는 실험과 이론이 정합적으로 뒷받침된 사례로, 고활성 공기극 설계를 위한 체계적인 소재 설계를 추진하는 새로운 전략을 제시한 의미 있는 성과”라고 밝혔다.

또한, 이번 연구를 주도한 최시혁 국립금오공대 교수는 “데이터베이스 구축 및 활용을 통한 이론적인 예측과 실험의 병행을 통해 소재 설계의 정밀성과 신뢰성을 동시에 확보할 수 있었다.”며, “이번 연구 결과가 향후 차세대 양방향 프로토닉 세라믹 전지용 공기극 개발의 전략화가 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과기부가 추진하는 한국연구재단 우수신진연구사업, 나노및소재기술개발사업(국가전략기술소재개발), 그리고 KIST 주요사업의 지원으로 이뤄졌다.