최시혁 금오공대 교수 연구팀, KIST·한양대팀과 공동 연구전력·그린수소 동시 생산 차세대 에너지 전환기술 실현 가능성 입증
  • ▲ 최시혁 금오공대 교수ⓒ
    ▲ 최시혁 금오공대 교수ⓒ
    국립금오공과대학교 기계공학부 최시혁 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST)·한양대팀과 공동으로 ‘양방향 프로토닉 세라믹 전지용 고활성 공기극 신소재’ 개발에 성공했다. 

    최 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 700시간 이상 안정적인 전력과 그린 수소의 동시 생산이 가능한 차세대 에너지 전환 기술의 실현 가능성을 입증했다.

    관련 논문은 에너지재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 ‘Advanced Functional Materials(상위 4.1%, IF 18.5)’ 온라인 판에 6월11일 게재됐다. 

    기존에 주목받은 ‘양방향 고체산화물 세라믹 전지(R-SOCs, Reversible solid oxide cells)’는 산소 이온(O2-) 전도를 통해 전력 생산과 수소 생산이 모두 가능하다. 

    이 시스템은 연료전지 및 수전해 기능을 하나로 통합한 장점이 있지만, 800℃ 이상의 고온 작동이 필요하기 때문에 비용이 증가하고 셀 열화로 인해 성능 및 수명이 저하될 수 있으며, 공기극과 전해질 간 열기계적 불일치 등의 문제가 있었다.

    이를 보완하기 위해 개발된 이번 기술은 산소 이온보다 크기가 작고 활성화 에너지가 낮은 프로톤(H+)을 전하 운반체로 사용해 작동 온도를 중저온 영역(400~600℃) 수준으로 낮출 수 있어 열적 안정성과 비용면에서 이점을 가진다. 

    다만 낮은 작동 온도에서는 공기극에서의 산소 환원 반응(ORR, Oxygen reduction reaction)과 산소 발생 반응(OER, Oxygen evolution reaction)이 느리게 일어나 전기화학 성능을 저해하는 원인이 된다. 

    특히, R-SOC에서 활용되는 혼합 이온-전자 전도체( MIEC, Mixed ionic electronic conductor) 기반 공기극은 R-PCC 적용 시 프로톤 전도성이 부족해 전기화학 반응이 공기극 및 전해질 계면에만 제한되는 한계가 있다. 

    이를 해결하기 위해 프로톤, 산소 이온, 전자(e-)가 모두 전도 가능한 삼중 이온-전자 전도체(TIEC, Triple ionic-electronic conductor) 개발이 R-PCC의 핵심 전략으로 주목받고 있다. 

    최 교수 연구팀은 적층형 페로브스카이트(Layered perovskite) 소재에 전이 금속을 도핑해 R-PCC용 공기극으로 새롭게 제안했다. 

    제1저자로 참여한 윤지원 국립금오공대 학생은 “이번 연구는 실험과 이론이 정합적으로 뒷받침된 사례로, 고활성 공기극 설계를 위한 체계적인 소재 설계를 추진하는 새로운 전략을 제시한 의미 있는 성과”라고 말했다.
     
    또 연구를 주도한 최 교수는 “데이터베이스 구축 및 활용을 통한 이론적 예측과 실험을 병행해 소재 설계의 정밀성과 신뢰성을 동시에 확보할 수 있었다”며 “이번 연구 결과 향후 차세대 양방향 프로토닉 세라믹 전지용 공기극 개발의 전략화가 가능할 것”이라고 말했다.
      
    이번 연구는 과기부가 추진하는 한국연구재단 우수신진연구사업, 나노 및 소재기술개발사업(국가전략기술소재개발), 그리고 KIST의 주요 사업 지원으로 이뤄졌다.