세라믹 전기화학전지 전극 개발···'현존 최고 성능'

KAIST, 에너지연·전남대와 공동 연구

[이데일리 강민구 기자] 미래 수소 에너지 사회를 이끌 차세대 기술로 주목받는 세라믹 전기화학전지를 개발하기 위한 새로운 가능성이 제시됐다.

(왼쪽부터)이강택 KAIST 기계공학과 교수, 정우철 KAIST 신소재공학과 교수, 이찬우 한국에너지기술연구원 박사, 송선주 전남대 교수.(사진=한국과학기술원)

한국과학기술원(KAIST)의 이강택 기계공학과 교수, 정우철 신소재공학과 교수, 이찬우 한국에너지기술연구원 박사, 송선주 전남대 교수 공동 연구팀이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 산화물 전극 결정구조 제어를 통해 양성자 확산경로를 2차원에서 3차원으로 확장하고, 전극 촉매활성을 향상시켰다.

비대칭 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물계 전극은 양성자의 격자 내 이동이 제한돼 촉매 활성이 낮고, 연료전지의 성능이 떨어졌다.

연구팀은 이종 금속원소 후보군을 선정하고, 도핑해 격자내에서 양성자가 이동하기 어려운 비대칭 구조를 대칭 구조화해 양성자 수송 특성을 높였다. 고성능 전극 설계에 대한 단초를 마련하고, 계산화학을 통해 전극의 결정구조가 양성자 수송 특성에 미치는 영향에 대한 상관관계도 규명했다.

연구팀이 개발한 전극 소재는 프로토닉 세라믹 전기화학전지에 적용돼 현재까지 보고된 소자 중 가장 뛰어난 전력 변환 성능을 나타냈고, 생산 과정 중 이산화탄소가 배출되지 않는 그린수소도 높은 생산 성능을 보였다.

이강택 교수는 “이번에 제안한 전극 설계 기법이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 고성능 전력·그린수소 생산에 대한 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대한다”라며 “이 기술이 글로벌 넷제로 달성을 위한 수소 생산, 친환경 에너지 기술 상용화에 촉매제가 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 지난 달 12일자 후면표지 논문으로 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)