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한국과학기술원(KAIST)이 이강택 기계공학과 교수, 정우철 신소재공학과 교수, 이찬우 한국에너지기술연구원 박사, 송선주 전남대 교수 공동 연구팀이 현존 최고 성능의 세라믹 전기화학전지를 개발했다고 15일 밝혔다.
연구팀은 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 산화물 전극 결정구조 제어를 통해 양성자 확산 경로를 2차원에서 3차원으로 확장하고 전극 촉매 활성을 향상시켰다. 비대칭 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물계 전극은 구조적 한계로 촉매 활성이 낮아 연료전지의 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 연구팀은 이종 금속원소 후보군을 선정·도핑해 양성자가 이동하기 어려운 비대칭 구조를 성공적으로 대칭 구조화해 문제를 해결했다. 또 계산 화학을 통해 전극의 결정구조가 양성자 수송 특성에 미치는 영향의 상관관계를 규명했다.
연구팀이 개발한 전극 소재는 프로토닉 세라믹 전기화학전지에 적용돼 현재까지 보고된 소자 중 가장 뛰어난 전력 변환 성능을 보였다. 생산과정 중 이산화탄소가 배출되지 않는 그린수소도 높은 생산 성능을 확인했다. 특히 500시간의 장시간 구동 후 가역 구동(전력·그린수소 교대 생산)에서도 안정적인 성능을 유지했다.
이 교수는 “이번 연구에서 제안한 전극 설계 기법이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 고성능 전력, 그린수소 생산에 대한 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다”며 “이 기술이 글로벌 넷제로 달성을 위한 수소 생산 및 친환경 에너지 기술 상용화에 촉매제가 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 에너지·재료 분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드에너지머터리얼즈’에 지난달 12일자 후면 표지 논문으로 게재됐다.
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