연료전지의 페로브스카이트 전극에 소량의 금속을 첨가해서 전지 수명을 극대화할 수 있는 기술이 개발됐다. 고내구성 페로브스카이트 산화물 전극 개발과 상용화가 가능해질 것으로 전망된다.
이 기술은 에너지 환경 분야 국제 학술지인 에너지&인바이런멘털 사이언스 2018년 1호 표지논문으로 선정됐다.
KAIST(총장 신성철)는 정우철 신소재공학과 교수팀이 한정우 서울시립대 교수와 함께 소량의 금속으로 고체산화물 연료전지의 수명을 향상시키는 새로운 전극 소재 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
고체산화물 연료전지는 최근 신재생에너지원으로 주목되는 에너지 변환 기술이다. 두 개의 전극에 각각 연료와 공기를 공급해서 일어나는 '산소 환원 반응'을 이용한다. 공기가 공급되는 '공기극'이 전지의 성능을 좌우하는 핵심 요소다. 주로 페로브스카이트(ABO₃) 구조의 산화물이 쓰인다.
고체산화물 연료전지의 단점은 시간이 지날수록 성능이 저하된다는 점이다. 고온 산화 상태에서 공기극 내부의 스트론튬(Sr)이 표면으로 밀려나 쌓이는 '표면 편석' 현상이 원인이다.
연구팀은 표면 편석의 원인을 파악하고, 이의 해결책을 제시했다. Sr 표면 편석은 페로브스카이트 구조 안의 압력으로 생긴다. Sr이 산소와 같은 내부의 다른 원소와 지나치게 가까워 고온 상황에서 외부로 밀려나오는 것이 원인이다.
연구팀은 공기극 표면에 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr)과 같은 금속을 첨가(도핑)하는 방법으로 문제를 해결했다. 이들 금속은 공기극 소재 내부의 변형 정도를 제어하는 역할을 한다. Sr과 다른 원소의 사이를 인위로 벌려서 구조를 안정시킨다. Sr의 표면 편석을 효과 높게 막을 수 있다.
정우철 교수는 “공기극 합성 과정에서 추가 공정 없이 소량의 금속 입자를 넣는 것만으로 표면 편석 현상을 막는 방법을 개발했다”면서 “앞으로 고내구성 페로브스카이트 산화물 전극 개발에 유용하게 활용할 수 있는 기술”이라고 설명했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
