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자료 출처=Nature Energy. |
[대학저널 이선용 기자] 차세대 수소경제 핵심 기술로 주목받는 가역 고체산화물전지(Reversible Solid Oxide Cell, RSOC) 분야에서 수십 년간 유지돼 온 공기극 설계 방식이 국내 연구진에 의해 처음으로 뒤집혔다.
세종대학교 나노신소재공학과 박준영 교수와 서울대학교 한정우 교수, 전남대학교 송선주 교수 공동연구팀은 기존 공기극 구조의 한계를 극복한 새로운 설계 전략을 개발하고, 이를 통해 세계 최고 수준의 성능과 내구성을 구현하는 데 성공했다. 이번 연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지인 ‘Nature Energy’에 5월 4일 게재됐다.
가역고체산화물전지는 수소 생산과 전력 생성을 동시에 수행할 수 있는 고효율 에너지 장치로, 재생에너지 기반 수소경제 실현의 핵심 기술로 주목받고 있다. 기존 공기극은 전자전도체와 산소이온 전도체인 세리아 (CeO₂)를 혼합해 삼상경계를 늘리는 방식이었으나, 반응이 특정 경계면에 제한되는 한계로 성능 향상이 정체돼 왔다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 바륨 세라이트 (BaCeO₃) 계열의 양성자 전도성 소재를 공기극에 최초로 도입했다. 해당 소재는 산소이온과 전자(정공)를 동시에 전달하는 혼합 이온-전자 전도 특성을 지니며, 삼상경계면을 3차원적으로 확장해 반응 및 확산 경로를 효과적으로 확보한다. 이를 통해 전자전류를 이온전류로 효율적으로 전환하고, 전극 반응을 극대화하는 새로운 공기극 설계 전략을 처음으로 제시했다.
또한 판상 미스핏 구조의 칼슘 코발테이트 (Ca3Co4O9) 촉매를 결합함으로써 산소 확산을 촉진하고 열적·화학적 안정성도 동시에 향상시켰다. 그 결과, 연료전지 모드에서 최대 7.08 W/cm², 전해전지 모드에서는 1.3 V 기준 7.88 A/cm²의 높은 성능을 달성했으며, 장시간 운전과 열 사이클 등 가혹한 운전 조건에서도 우수한 내구성을 입증했다.
이번 연구는 전자전도체와 이온전도체를 단순히 혼합하는 기존 접근에서 벗어나, 단일 소재 내에서 혼합 전도성을 구현한 새로운 공기극 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 이는 차세대 고성능 연료전지 개발의 전환점이 될 것으로 평가된다.
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