금오공대, 차세대 프로토닉 전지용 고활성 공기극 소재 개발
중저온 작동 가능 전지 기술로 친환경 에너지 전환 기여 기대
이번 연구는 700시간 이상 안정적인 전력 생산과 그린 수소 생산이 가능한 차세대 에너지 전환 기술의 실현 가능성을 입증한 성과로, 에너지재료 분야 권위 학술지 'Advanced Functional Materials'(IF 18.5, 상위 4.1%)에 온라인 게재됐다.
기존 양방향 고체산화물 세라믹 전지(R-SOCs)는 고온(800℃ 이상)에서 작동해 시스템 비용 증가 및 소재 열화 문제가 있었으나, R-PCC는 프로톤(H+)을 전하 운반체로 사용해 중저온(400~600℃)에서도 작동이 가능하다.
그러나 낮은 온도에서는 공기극에서의 전기화학 반응이 저해되는 문제가 있어, 이에 적합한 공기극 개발이 핵심 과제로 지적돼 왔다.
연구팀은 적층형 페로브스카이트 구조에 전이금속을 도핑하는 방식으로 새로운 공기극 소재를 설계했다.
특히 니켈(Ni)이 프로톤 결함 형성에 탁월한 효과를 보인다는 점에 주목하고, 실험 및 이론 계산을 통해 니켈 도핑이 프로톤 전도성 향상에 기여함을 확인했다.
실제 실험 결과, 해당 공기극을 적용한 R-PCC는 600℃에서 1.30W/cm², 500℃에서 0.60W/cm²의 연료전지 성능을 보였으며, 수전해 모드에서도 높은 전류 밀도와 함께 700시간 이상 안정적인 구동을 유지했다.
제1저자 윤지원(금오공대 석·박사 통합과정) 학생은 "실험과 이론이 정합적으로 맞물린 의미 있는 사례로, 체계적인 소재 설계 전략의 가능성을 제시했다"고 밝혔다.
최시혁 교수는 "데이터 기반 이론 예측과 실험 검증을 병행함으로써 신뢰도 높은 소재 설계가 가능했다"며 "이번 성과가 차세대 친환경 전지 개발의 기반이 되길 기대한다"고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 우수신진연구사업, 나노소재기술개발사업, KIST 주요사업 등의 지원으로 수행됐다.