기존 리튬이온전지와는 차세대 수소에너지 가능성 제시
친환경 이차전지·연료전지·수전해 기술 새로운 전기 마련
한·일 공동 연구팀이 수소를 음이온 상태로 만들어 고체 속에서 마치 액체처럼 빠르게 이동시키는 새로운 기술을 개발했다. 수소음이온을 활용한 친환경 이차전지, 연료전지, 수전해 기술의 실현 가능성을 한층 끌어올렸다는 평가다.
광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 김상륜 화학과 교수(에너지융합대학원 겸임)팀이 한국원자력연구원(KAERI), 일본 도쿄과학대학과의 공동연구를 통해 분자성 착이온(중심 원자에 여러 개의 분자 또는 이온이 붙어 있는 구조로 전하를 띤 다원자 이온)을 활용해 고체내 수소 음이온의 전도 속도를 획기적으로 높일 수 있다는 사실을 규명했다고 21일 밝혔다.
일반적으로 고체 상태에서는 이온이 자유롭게 움직이기 어렵다. 하지만 특정 이온이 고체 내에서도 빠르게 이동할 수 있다면 리튬이온 전고체전지와 같은 에너지 저장·변환 기술에 혁신적인 전기를 마련할 수 있다. 이러한 이유로 새로운 전도성 이온의 발견은 학문적 의미뿐만 아니라 향후 산업적 응용 가능성 측면에서도 매우 중요한 성과로 평가받고 있다.
수소는 친환경 에너지원으로 각광받고 있지만 다른 물질과 쉽게 반응하는 성질 때문에 안정적으로 다루기 어렵다는 한계가 있다.
연구팀은 수소를 음이온 형태로 안정화하고 고체 내에서 빠르게 이동할 수 있도록 분자성 착이온을 활용한 새로운 구조를 설계했다. 수소음이온을 안정화시키고 이동 속도를 높이기 위해 페로브스카이트 구조의 결정 내에 착이온 수소화붕소이온(BH₄⁻)와 수소음이온을 함께 배치하는 독자적인 설계 원리를 제안했다. 이를 바탕으로 BH₄⁻와 수소음이온이 공존하는 새로운 물질을 단일상으로 합성하는 데 성공했다.
페로브스카이트 격자 안에서 착이온과 수소음이온이 무질서하게 섞여 있는 상태임을 밝혀냈으며 무질서한 배열(높은 엔트로피) 덕분에 단일상 구조가 더 안정적으로 유지된다는 사실을 규명했다.
특히 착이온이 없는 기존 구조와 비교했을 때 수소음이온의 이온전도도가 무려 1000배 이상 증가한 것으로 나타났다.
김상륜 교수는 “이번 연구는 세계 최초로 착이온에 의한 수소음이온 전도를 구현한 사례로, 앞으로 수소 기반의 새로운 친환경 에너지 기술 개발에 중요한 전환점을 마련할 수 있을 것”이라고 말했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
