KAIST, 그린수소 생산에 탁월 전해질 신소재 개발…전도성 140배↑

이강택 교수팀, 공동연구 통해 산소 이온 전도성 고체전해질 확보
낮은 온도 적용·장시간 높은 이온전도도 유지…국제학술지 게재

[대전=뉴시스] KAIST서 개발한 고체전해질 신소재를 적용한 SOFC/SOEC의 성능 비교표. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 기계공학과 이강택 교수팀이 미국 메릴랜드대학 에릭 왁스만 교수팀과 공동연구를 통해 기존 소재 대비 전도성이 140배 높은 산소 이온 전도성 고체전해질을 개발했다고 22일 밝혔다.

그린수소를 활용·생산하는 연료전지, 수전해전지, 촉매분야에서 산소 이온성 고체전해질이 널리 사용되지만 이런 산소 이온 전도체들은 주로 700℃ 이상의 고온에서 활용돼 소자 내 다른 요소들과의 화학반응, 소재응집, 열충격이 발생하거나 고비용 등의 문제를 갖고 있다.

이번에 공동연구팀이 개발한 신소재는 비스무트 산화물 기반으로 400℃에서도 기존 지르코니아 소재의 700℃에 해당하는 높은 전도성을 보이며 중저온(600℃) 영역대에서는 140배 이상 높은 이온전도를 나타낸다.

비스무트 산화물 산소 이온 전도체 소재는 중저온 영역대에서 상전이로 인해 이온전도도가 급격하게 감소하는 문제가 있었으나, 이번 연구에서 개발된 산소 이온 전도체 신소재는 도핑을 통해 중저온 영역대에서도 1000시간 이상 높은 이온전도도를 유지해 상용화 가능성이 매우 높다.

또 연구팀은 원자단위 시뮬레이션 계산화학을 통해 도핑된 원소가 산소 이온 전도체 신소재의 성능 및 안정성을 향상시키는 메커니즘을 규명했다.

개발된 신소재는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 적용돼 학계에 보고된 소자 중 가장 높은 수준의 전력생산(2.0W/㎠, 600℃) 능력과 기존 대비 2배 높은 단위면적당 15.8mL/min의 그린수소 생산능력을 보였다.

연구 결과는 국제 학술지인 '어드벤스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 온라인 판에 지난달 17일자로 게재됐다.(논문명 : Lowering the Temperature of Solid Oxide Electrochemical Cells Using Triple-doped Bismuth Oxides).

이강택 교수는 "이번 연구에서 개발된 산소 이온 전도체 신소재는 중저온 영역대에서도 안정적으로 높은 전도도를 유지할 수 있어 세라믹 소자의 높은 작동온도를 획기적으로 낮추는 데 활용될 것"이라며 "탄소중립 실현을 위한 에너지/환경 소자 상용화에 이 기술을 적용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

☞공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com