고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)는 높은 에너지변환효율, 다양한 화학연료의 사용가능, 현존하는 에너지 기반시설과의 접목가능성 등의 큰 장점을 가진 저탄소, 지속가능한 에너지변환장치이다.
고체산화물 연료전지의 공기극 소재로 사용되는 복합전도성 페로브스카이트 구조의 산화물은 서로 크기가 다른 양이온들과 산소로 구성되어있으며, 페로브스카이트계 공기극 소재들의 가장 큰 한계는 화학적/구조적 안정성이다.
특히 고온 작동 조건하에서 발생하는 표면의 화학적 상태 변화는 전극 성능 열화에 결정적인 요인이다. 이 중 특성 양이온이 표면에 선택적으로 축적되는 양이온 편석 현상은 대표적인 전극 열화현상으로, 이를 억제하기 위하여 현상의 원인을 규명하고 주요인자를 모색하는 연구는 매우 중요하다.
KAIST(총장 신성철) 신소재공학과 정우철 교수 연구팀이 서울시립대학교 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 소량의 금속으로 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 새로운 전극소재 기술을 개발했다.
연료전지는 친환경이면서 신재생에너지원으로 주목받고 있는 에너지변환기술이다. 특히 세라믹 소재로 구성된 고체산화물 연료전지는 수소 이외에도 바이오매스, LNG, LPG 등 다양한 종류의 연료를 직접 전기에너지로 바꿀 수 있는 장점을 갖는다. 이를 통해 발전소, 전기자동차, 가정용 예비전원 등 분야에 폭넓게 사용될 것으로 전망되고 있다.
고체산화물 연료전지의 성능을 좌우하는 핵심 요소는 산소의 환원 반응이 일어나는 공기극으로 현재 페로브스카이트(ABO3) 구조의 산화물들이 주로 사용된다. 그러나 페로브스카이트 산화물들은 작동 초기 성능이 뛰어나지만 시간이 지날수록 성능이 저하돼 장기간 사용이 어렵다는 한계를 갖는다.
특히 공기극의 작동 조건인 고온 산화 상태에서 산화물 표면에 스트론튬(Sr) 등의 2차상이 축적되는 표면 편석 현상이 발생함으로써 전극의 성능을 낮추는 것으로 알려졌다. 아직까지 이러한 현상의 구체적인 원리와 이를 억제할 수 있는 효과적인 해결책이 나오지 않았다.
정 교수 연구팀은 페로브스카이트 산화물이 변형될 때 면 내 압축 변형이 일어나 스트론튬의 편석을 발생시키는 것을 계산화학적 및 실험적 결과를 통해 확인했으며, 연구팀은 페로브스카이트 산화물 내부의 부분적인 변형 분포가 스트론튬 표면 편석의 주요 원인임을 규명했다.
이를 바탕으로 정 교수 연구팀은 크기가 다른 금속을 산화물 내에 장착함으로써 공기극 소재 내부의 격자변형 정도를 제어하고 스트론튬 편석을 효과적으로 억제하는데 성공했다.
정 교수는 “이 기술은 추가적인 공정 없이 소재를 합성하는 과정에서 소량의 금속입자를 넣는 것만으로 구현된다”며 “향후 고내구성 페로브스카이트 산화물 전극을 개발하는 데 유용하게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
한편 이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐으며, KAIST 구본재 박사과정과 서울시립대 권형욱 박사과정이 공동 1저자로 참여한 연구는 에너지, 환경 분야 국제 학술지 ‘에너지&인바이러멘탈 사이언스(Energy&Environmental Science)’ 2018년도 1호 표지논문에 선정됐다.
