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차세대 연료전지용 초고성능 ‘만능 전극’ 개발
연료전지란 청정에너지원인 수소를 이용해 고효율로 전력을 생산하는 장치로, 다가오는 수소 사회에서 중요한 역할을 하는 기술로 여겨진다. 차세대 연료전지에 모두 적용 가능하고 기존에 비해 700시간 구동에도 끄떡없는 우수한 전극 소재가 개발되어 화제다.
우리 대학 신소재공학과 정우철, 기계공학과 이강택 교수와 홍익대학교 김준혁 교수 공동 연구팀이 산소 이온 및 프로톤 전도성 고체산화물 연료전지에 모두 적용 가능한 전극 소재 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.
세라믹 연료전지는 전해질로 이동하는 이온의 종류에 따라 산소 이온 전도성 고체산화물 연료전지(SOFC)와 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC) 2가지로 나뉜다. 또한, 두 형태에 대해 모두 전력과 수소 간의 변환이 가능하므로 총 네 가지 소자로 구분될 수 있다. 해당 소자들은 수소전기차, 수소 충전소, 발전 시스템 등에 활용할 수 있는 탄소중립 사회를 위한 차세대 핵심 기술로 떠오르고 있다.
하지만, 이러한 소자들은 구동 온도가 낮아짐에 따라 가장 느린 전극 반응의 속도가 저하돼 소자의 효율이 크게 떨어지는 고질적인 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있지만, 보고된 대부분의 전극 소재는 촉매 활성도가 떨어질뿐더러 소재의 활용이 특정 소자에 집중되어 있어 전력 변환 및 수소 생산이 가역적으로 필요한 고체산화물 연료전지에 적용되기에 한계가 있었다.
연구팀은 문제해결을 위해 그동안 주목받지 못했던 페로브스카이트 산화물 소재에 높은 원자가 이온(Ta5+)을 도핑해 매우 불안정한 결정구조를 안정화하는 데 성공했고, 이를 통해 촉매 활성도가 100배 이상 향상됨을 확인했다.
연구팀이 개발한 전극 소재는 산소이온 전도성 고체산화물 연료전지(SOFC)와 프로토닉 세라믹 연료전지의 전력 생산 및 수소 생산 총 4가지 소자에 모두 적용됐다. 또한 해당 소자들의 효율이 현재까지 보고된 소자 중 가장 우수하고 기존 100시간 운전에도 열화되던 소재에 비해 장기간(700시간) 구동에도 안정적으로 구동해, 개발된 전극 소재의 우수성이 입증됐다.
우리 대학 김동연, 안세종 박사과정 학생, 홍익대학교 김준혁 교수가 공동 제 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료·화학 분야의 세계적 권위지인 영국 왕립학회 ‘에너지 & 인바이런멘탈 사이언스, Energy & Environmental Science’(IF:32.5) 7월 12일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: An Universal Oxygen-Electrode for Reversible Solid Oxide Electrochemical Cells at Reduced Temperatures)
정우철 교수는 “문제점을 해결하기 위해서 완전히 새로운 소재를 개발해야 한다는 틀을 깨고 기존에 주목받지 못했던 소재의 결정구조를 잘 제어하면 고성능 연료전지를 개발할 수 있다는 아이디어를 제시한 의미있는 결과다”고 말했다.
또한 이강택 교수는 “하나의 소자에만 응용되었던 기존 소재들에 비해 총 4가지 소자에 모두 적용될 수 있는 유연성을 가지고 있어 추후 연료전지, 물 분해 수소 생산 장치 등 친환경 에너지기술 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발사업 그리고 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
2023.08.09 조회수 4919 -
김도경 교수, 모세관현상 이용한 리튬-황 전지 소재 개발
우리 대학 신소재공학과 김도경 교수 연구팀이 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소나노섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 통해 리튬-황 기반 이차전지 전극 소재를 개발했다.
연구팀이 개발한 면적당 용량(mAh/㎠)이 우수한 저중량, 고용량 리튬-황 기반 이차전지 전극소재를 통해 리튬-황 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
윤종혁 박사과정이 1저자로 참여하고 김도경 교수, UNIST 이현욱 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 2018년도 18호에 게재됐다.
최근 전기자동차, 대용량 에너지 저장장치의 수요가 급증함에 따라 기존 리튬이온 전지를 뛰어넘는 높은 에너지 밀도의 이차전지 개발 필요성이 커지고 있다.
리튬-황 전지는 차세대 고용량 리튬이차전지로 각광받고 있으며 이론적으로 리튬이온 전지보다 약 6배 이상 높은 에너지 밀도를 갖는다.
하지만 황의 낮은 전기전도도, 충전과 방전으로 인해 발생하는 부피 변화, 리튬 폴리설파이드 중간상이 전해질로 녹아 배출되는 현상은 리튬-황 전지 상용화의 걸림돌이다.
이를 해결하기 위해 다공성 탄소 분말로 황을 감싸 전기전도도를 향상시키고 부피변화를 완화시키며 폴리설파이드가 녹는 것을 방지하는 황-탄소 전극 개발에 대한 연구가 주로 진행돼 왔다.
그러나 이러한 구형의 0차원 탄소 분말들은 입자 간 무수한 접촉 저항이 발생하고 황을 감싸는 합성 과정이 까다로울 뿐 아니라 입자들을 연결하기 위해 고분자 바인더를 사용해야한다는 단점이 있다.
연구팀은 기존 탄소 재료의 단점을 극복하기 위해 전기방사를 통해 대량으로 1차원 형태의 탄소나노섬유를 제작하고 고체 황 분말이 분산된 슬러리(slurry, 고체와 액체 혼합물 또는 미세 고체입자가 물 속에 현탁된 현탁액)에 적신 뒤 건조하는 간단한 방법을 통해 접촉 저항을 대폭 줄인 황-탄소 전극을 개발했다.
연구팀은 주사전자현미경(SEM)을 통해 현상을 관찰했다. 종이가 물을 흡수하듯 고체 황이 전기화학 반응 중 중간 산물인 액체 리튬 폴리설파이드로 변화하고 이들이 탄소나노섬유들 사이에 일정한 모양으로 맺힌 후 충전과 방전 과정에서 그 형태를 유지하며 밖으로 녹아나가지 않음을 확인했다.
이는 복잡하게 황을 감싸지 않고도 황이 탄소 섬유들 사이에 효과적으로 가둬지는 것을 발견한 것이다.
또한 기존 연구 결과가 단위 면적당 황 함량이 2mg/㎠ 이내인 것에 비해 이번 연구에서는 10mg/㎠이 넘는 황 함량을 달성했고 이를 기반으로 7mAh/㎠의 높은 면적당용량을 기록했다. 이는 기존 리튬이온전지의 면적당용량인 1~3mAh/㎠를 능가하는 값이다.
1저자인 윤종혁 박사과정은 “금속집전체 위에 전극물질을 도포하는 기존의 전극 제조 방법과는 전혀 다른 전극 구조 및 제조 방식을 적용한 연구로 향후 리튬 이차전지의 연구 범위를 넓히는 데에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
김도경 교수는 “고용량 리튬-황 상용화에 한 단계 다가선 연구성과로 전기자동차뿐만 아니라 무인항공기(UAV) 및 드론 등에도 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 EEWS 연구센터의 기후변화연구허브사업과 한국연구재단의 중견연구자 지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전기화학 반응을 통해 탄소나노섬유에 황이 맺히는 현상과 그로 인한 전지의 안정적인 수명 특성
그림2. 탄소나노섬유들 사이에 흡수되어 맺힌 형태 그대로 고체화 된 황의 미세구조와 모식도
그림3. 액상의 리튬 폴리설파이드를 효과적으로 흡수하는 탄소나노섬유 구조체
2018.03.22 조회수 17226 -
니콜라이 츠베코프 박사, 성능 30배 증가된 연료전지 소재기술 개발
〈 니콜라이 츠베코프 박사 〉
우리 대학 EEWS 대학원 니콜라이 츠베코프(Nikolai Tsvetkov) 박사가 30배 증가된 성능과 긴 수명을 갖는 연료전지의 전극 소재를 개발했다.
이 기술은 이종원소로 알려진 페로브스카이트 산화물을 물리적으로 표면 처리하는 방법으로 이를 통해 소재의 전기적 특성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
니콜라이 박사는 지난 1월 EEWS 대학원 강정구 교수 연구실에 우수 해외 신진연구자로 참여했다. 이번 연구는 국제 과학 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 6월 13일자 온라인 판에 게재됐다.
페로브스카이트 산화물은 최근 수 년 간 연료전지, 비휘발성 메모리, 이산화탄소의 광 변환 등 다양한 분야에 활용 가능한 소재로 연구됐다.
그러나 고온에서 수분과 공기에 노출되면 산화물 표면이 화학적으로 불안정해져 메모리, 연료 전지 등의 수명과 성능을 저하시키는 주요 원인이 됐다.
이러한 현상이 발생하는 이유는 페로브스카이트 산화물의 원소 중 스트론튬이 표면에서 산화물 절연막을 형성해 전자전달 및 산소교환반응을 방해하기 때문이다.
이를 방지하기 위해 금속 산화물 표면에 수 나노미터 수준으로 코팅하는 방법이 있지만 근본적인 문제 해결에는 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 다양한 이종 원소를 이용해 표면에 존재하는 산소 원자결함을 선택적으로 제거하는 기술을 개발했다. 이를 통해 반응을 방해하는 표면의 절연층 형성을 억제하고 우수한 전기적, 촉매적 특성 및 반응속도를 갖는 소재를 개발했다.
연구팀은 촉매로서의 활성이 없는 것으로 알려진 하프늄을 사용해 기존 소재 대비 연료전지 전극의 성능을 30배 증가시켰고 소재의 안정성도 대폭 향상시켰다.
이 연구 결과는 기존에 알려지지 않은 새로운 현상으로서 그동안 연료전지 성능 향상의 가장 큰 걸림돌이었던 전극 표면에서의 산소환원반응의 원인을 이론적으로 규명했다는 의미를 갖는다. 또한 고체 산화물 연료전지의 안정성에 대한 해답을 제시했다.
니콜라이 박사는 “극소량의 이종원소 표면처리 기술을 이용해 연료전지를 비롯한 다양한 분야의 전기화학촉매가 될 것이다”며 “기존의 기술적 한계를 극복하는 핵심 기술로 널리 활용될 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미국항공우주국(NASA) ‘화성탐사 2020 프로젝트’의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 페로브스카이트 산화물 박막(좌)에 이종 원소의 도핑으로 표면의 산소 원자결함을 제어한 박막구조
그림2. 도핑된 이종 원소별 산소교환 성능 그래프
2016.07.07 조회수 11588