한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이강택 기계공학과 교수팀이 에릭 왁스만 미국 메릴랜드대 교수팀과 공동연구로 기존 소재 대비 전도성이 140배 높은 산소 이온 전도성 고체전해질 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.
그린수소를 활용·생산하는 연료전지, 수전해 전지, 촉매 분야에 산소 이온성 고체전해질이 널리 사용된다. 이런 산소 이온 전도체들은 주로 700℃ 이상 고온에서 활용돼 소자 내 다른 요소들과의 그릇된 화학반응, 소재 응집, 열충격이 발생하고 유지비용이 높다.
개발 신소재는 비스무트 산화물 기반으로 400℃에서 기존 지르코니아 소재의 700℃에 해당하는 높은 전도성을 보였다. 중저온(600℃) 영역대에서 140배 이상 높은 이온전도도 나타냈다.
기존 비스무트 산화물 산소 이온 전도체 소재는 중저온 영역대에서 이온전도도가 급격히 감소하는 문제가 있었으나, 이번에 개발한 신소재는 1000시간 이상 높은 이온전도도를 유지해 상용화 가능성을 크게 높였다.
또 공동연구팀은 원자단위 시뮬레이션 계산화학을 통해 도핑된 원소가 산소 이온 전도체 신소재 성능·안정성을 향상하는 메커니즘을 규명했다.
개발 신소재는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 적용돼 학계에 보고된 소자 중 가장 높은 전력 생산(2.0 W/㎠, 600℃) 능력을 보였다.
뿐만 아니라 고체산화물 전해전지(SOEC)에도 적용돼 기존 대비 2배 높은 그린수소 생산능력을 보이며, 해당 신소재의 실제 소자 적용 가능성을 증명했다.
이강택 교수는“이번 연구에서 개발한 산소 이온 전도체 신소재는 중저온 영역대에서도 안정적으로 높은 전도도를 유지할 수 있어 세라믹 소자의 높은 작동온도를 획기적으로 낮추는 데 활용될 것으로 기대된다”며 “탄소중립 실현을 위한 에너지·환경 소자 상용화에 본 기술을 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
KAIST 기계공학과의 유형민 박사과정, 정인철 박사, 장승수 박사과정이 공동 제1저자로 참여했으며 이찬우 한국에너지기술연구원 박사팀이 참여한 이번 연구는 '어드벤스드 머티리얼스' 10월 17일자 온라인판에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
