니켈 도핑 기반 고활성 공기극 신소재 개발
연료전지·수전해 양방향 작동...장기 안정성 및 고출력 확보
국립금오공과대학교는 최근 최시혁 기계공학부 교수 연구팀이 '양방향 프로토닉 세라믹 전지'(Reversible protonic ceramic cells, R-PCCs)용 고활성 공기극 신소재를 개발했다고 31일 밝혔다.
친환경 에너지 변환 기술로 주목받은 '양방향 고체산화물 세라믹 전지'(Reversible solid oxide cells, R-SOCs)는 산소 이온(O₂-)의 전도를 통해 전력과 수소 모두 생산할 수 있다.
해당 시스템은 연료전지와 수전해 기능을 하나로 통합했다는 장점이 있지만, 800℃ 이상의 고온이 필요하기 때문에 시스템 비용이 높다. 또 셀 열화로 인한 전지 성능 및 수명이 저하되고, 공기극과 전해질 간 열기계적 불일치 등 문제가 발생한다.
이를 보완하기 위해 개발된 R-PCCs는 산소 이온이 아닌 프로톤(H+)을 전하 운반체로 사용한다.
R-PCCs는 400~600℃의 중저온에서 구동되지만, 낮은 작동 온도에서는 공기극 내 산소 환원(Oxygen reduction reaction, ORR) 및 발생 반응(Oxygen evolution reaction, OER)이 느려지는 한계가 있다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 삼중 이온-전자 전도체(Triple ionic-electronic conductor, TIEC) 소재 개발을 핵심 전략으로 삼고 연구를 진행했다.
최 교수팀은 다양한 전이금속을 검토했다. 그 결과 니켈 도핑이 프로톤 결함 생성에 효과적임을 확인하고, 이를 바탕으로 공기극 소재를 개발했다. 열중량분석(TGA)과 밀도범함수 이론(DFT)을 계산해 니켈 도핑이 프로톤 농도 증가 및 이동 장벽 감소에 기여했다는 사실을 입증했다.
연구진은 니켈(Ni)을 도핑한 적층형 페로브스카이트(Layered perovskite) 구조를 활용한 공기극을 제안해 연료전지·수전해 양방향 구동이 모두 가능한 고성능 전지를 구현했다.
연구 결과 500℃와 600℃ 조건에서 각각 0.60 W/cm², 1.30 W/cm²의 연료전지 모드 전력 밀도와 −0.41 A/cm², −1.72 A/cm² 수전해 전류 밀도를 달성했다. 또 700시간에 걸친 양방향 구동 환경에서도 안정성을 유지했다. 실험과 이론을 결합한 체계적인 소재 설계 전략을 바탕으로 세계 최고 수준의 성능을 달성한 셈이다.
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제1저자인 윤지원 금오공대 석박사통합과정은 "이번 연구는 실험과 이론이 정합적으로 뒷받침된 사례"라며 "고활성 공기극 설계를 위한 새로운 전략을 제시한 의미 있는 성과"라고 설명했다.
최 교수는 "데이터베이스 기반 이론 예측과 실험을 통해 소재 설계의 정밀성, 신뢰성을 확보했다"며 "연구 결과는 향후 양방향 프로토닉 세라믹 전지용 공기극 개발에 전략적으로 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.
한편 최 교수팀은 최선희 한국과학기술연구원(KIST) 박사, 김경학 한양대 교수팀과 함께 연구를 수행했으며, 과기정통부 산하 한국연구재단의 '우수신진연구사업', '나노및소재기술개발사업'(국가전략기술소재개발)과 KIST의 지원을 받았다.
연구 결과는 'Highly active air electrode with enhanced proton conduction via isovalent doping in a layered perovskite for reversible protonic ceramic cells'라는 제목으로 에너지재료과학 분야 국제학술지 'Advanced Functional Materials'(IF=18.5, 상위 4.1%) 온라인판에 게재됐다.
