영남대학교는 심재진 화학공학부 교수 연구팀이 태양전지와 같은 차세대 에너지저장시스템에 활용 가능한 페로브스카이트 슈퍼커패시터(초축전기)의 전극물질을 개발했다고 11일 밝혔다.
페로브스카이트는 두 종류의 양이온과 산소가 결합된 'ABO₃' 구조를 갖는 금속산화물이다. 연구팀은 페로브스카이트에서 양이온인 A와 B를 다른 원소로 부분 교체하면 전극성능과 촉매성능이 크게 향상된다는 것을 발견했다.
연구팀은 란타늄망간산화물 페로브스카이트에서 A위치의 란타늄(La) 일부를 스트론튬(Sr)으로 치환하면 B위치에 있는 망간(Mn) 일부가 3가에서 4가로 변하게 돼 전자의 이동이 자유로워져 전자전도도가 향상되는 것을 확인했다.
또 망간 일부를 철(Fe)로 치환하면, 전하 균형을 맞추기 위해 산소 이온이 빠져나와 산소 빈자리가 생기게 되고, 이 빈자리를 메꾸기 위해 외부에서 산소이온이 이동해 오면서 이온전도도가 향상된다는 것도 밝혀냈다.
연구팀은 실제로 란타늄 30%와 망간 50%가 치환된 'LSMFO55'일 때, 전자전도와 이온전도가 동시에 일어나는 상승효과에 의해 탁월한 전기화학적 성능을 보였다. 'LSMFO55'를 양극으로, '나노탄소구체(CNO)'를 음극으로 한 비대칭 혼성 슈퍼커패시터가 매우 우수한 성능을 갖는 것도 확인했다.
우수한 성능을 가진 슈퍼커패시터 전극물질을 개발한 것은 물론, 에너지저장시스템 성능 향상에 필요한 이론적 배경을 마련했다는 점에서 학술 및 산업적 가치가 높은 것으로 평가받고 있다.
심 교수는 “금속산화물 결정인 페로브스카이트는 가볍고 저렴해 에너지효율과 내구성만 향상되면 태양전지용으로 크게 각광 받을 것으로 예상된다. 연구에서 발견한 부분 치환에 의한 전극성능 향상 기술을 사용하면 페로브스카이트를 태양전지 전극소재, 슈퍼커패시터 양극소재, 촉매물질 등으로 상용화하는데 크게 기여할 것”이라고 했다.
이번 연구성과는 최근 국제 저명 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈'에 게재됐다. 이 논문은 영남대 화학공학부 심재진 교수 연구팀의 인도, 독일 출신 연구자들과 프랑스 낭트대 교수 등 세계적인 연구자들이 국제공동연구를 통해 이루어낸 성과다. 영남대 청정에너지중점연구소사업단(단장 심재진)의 파라세리 무하메드 샤피 교수가 제1저자, 심 교수와 낭트대 티에리 브루스 교수가 교신저자로 참여했다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
