인천대 신소재공학과 명재하 교수, 김요한 박사과정생, 전혜진 석사과정생 / KAIST 기계공학과 이강택 교수, 김형근 석사과정생

인천대학교 신소재공학과 명재하 교수, 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 이강택 교수 공동 연구팀이 이중 페로브스카이트 산화물 기반 코발트-철 합금(CoFe alloy) 나노입자 제어 기술 개발을 통해 연료전지의 양극 및 음극으로 모두 적용할 수 있는 고성능 나노구조체 전극 소재를 개발하였다.

가역 고체산화물전지(Reversible Solid Oxide Cells, RSOCs)는 화학에너지로부터 전기를 생산하는 연료전지, 전기 에너지를 활용하여 연료를 생산하는 전해전지가 합쳐진 시스템이다. 상황에 따라 전기생산과 연료 생산이 모두 가능하므로 날씨에 영향을 받는 재생에너지의 발전변동성에 따른 전력 수요와 공급 격차를 보완할 수 있는 에너지 변환장치로 활용된다.

그러나 기존 연료전지 및 전해전지의 전극 소재들은 각 음극, 양극의 다양한 연료 환경과 요구되는 각 전기화학적 반응이 다양하여 각 전극에 맞는 특성화 연구가 따로 진행됐다. 

용출(Exsolution) 기술은 페로브스카이트 산화물 소재 표면에 도핑되어 있는 금속을 고정형 나노촉매로 성장시키는 기술이다. 용출은 별도의 촉매 도포 공정 없이 작동환경에서 소재의 전기화학적 활성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 용출 나노 촉매는 산화물 지지체에 고정된 소켓 (Socket) 구조이며 균일한 입자 분포를 나타내기 때문에 고온 응집현상 및 카본 침적에 대한 높은 저항성을 보인다.

본 공동연구팀은 용출 기술을 활용하여 페로브스카이트 산화물 기반 고성능 나노구조체 전극 소재를 개발하였다. 개발한 용출소재는 코발트 도핑량이 증가할수록 용출된 나노입자의 성장이 극대화되는 반면, 동시에 모상의 안정성이 감소하는 상충관계를 나타내었다. 소재 내 최적의 코발트 도핑량 도출을 통해 나노입자의 성장 및 모상의 안정성을 모두 확보하여 소재의 성능을 최적화할 수 있었다.

해당 소재는 양극과 음극에 모두 사용할 수 있어 소재의 가격, 공정 비용을 혁신적으로 절약할 수 있어 연료전지 산업에 큰 영향을 줄 것으로 평가받고 있다. 또한 개발된 단일 대칭형 전극 소재로 구성된 가역 고체산화물 전지는 다양한 연료(CO, H2O, H2, CO2)를 직접 사용이 가능하며, 850 ℃에서 수소 연료 전지 모드로 최대 전력 밀도 1.27 W cm-2, 800 ℃에서 수전해 전지 모드로 전류 밀도 2.33 A cm-2를 기록했다. 특히, 이 전극은 연료전지와 수전해전지를 통합한 700 시간의 연속 구동에서도 열화 없이 안정적으로 작동하여, 가역적 사이클 구동에서도 높은 내구성을 보여주었다.

개발한 소재는 연료전지뿐만 아니라 배터리, 이산화탄소 변환 촉매 등 다양한 에너지 변환 시스템에도 응용되어 시스템의 수명과 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, 연구팀이 구축한 소재 최적화 방법론은 다른 소재 개발에도 응용 가능하여 다양한 나노구조 전극 및 촉매 연구에서 성능 개선에 활용할 수 있다.

해당 연구는 에너지 변환 및 전력공급 분야에서 중요한 응용 가능성을 가지고 있으며, 특히 탄소중립을 위한 친환경 에너지 변환 장치의 상용화에 중요한 진전을 이룰 것입니다. 이를 통해 미래 에너지 시스템의 발전과 지속가능한 사회 구현에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

한편 이번 연구는 인천대 명재하 교수팀 - KAIST 이강택 교수팀 공동으로 연구를 수행했고 전혜진(인천대 석사과정생), 김요한(인천대 박사과정생), 김형근(KAIST 석사과정생)이 공동 제1저자로 참여했다. 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단(우수신진연구, 글로벌기초연구실)의 지원을 받아 수행됐으며, 재료분야 국제학술지 (Small, IF=13.0)에 최근 실렸다.

연구결과 모식도