UNIST·POSTECH·서울대·NUIST 공동연구팀
이중층수산화물 기반 고성능 SOC 전극 개발
내구성 향상…전기 생산 출력은 1.5배 증가
이산화탄소를 분해해 유용한 물질을 만들고 전기도 생산할 수 있는 고성능 고체산화물전지(SOC) 전극이 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST)은 조승호 UNIST 신소재공학과 교수팀과 안지환 포항공대(POSTECH) 교수, 한정우 서울대 교수, 중국 난징정보과학기술대학교 부윈페이 중국 난징정보과학기술대(NUIST) 교수가 공동으로 고온에서도 성능이 떨어지지 않는 '이중층수산화물 기반 SOC 전극을 개발했다고 3일 밝혔다.
SOC는 수소나 메탄 등을 연료로 전기를 생산하는 전지다. 반대로 전기를 넣으면 수소를 생산하거나 이산화탄소를 분해해 산업용 가스인 일산화탄소를 만들 수도 있다.
문제는 SOC 전극이다. 세라믹 지지체에 금속 촉매가 얹혀 있는 형태여서 세라믹과 금속 간 구조 차이로 인해 600℃ 이상 고온에서 장기간 가동할 때는 금속 촉매가 뭉치거나 떨어져 효율이 저하된다.
공동 연구팀은 먼저 새로운 이중층수산화물을 합성했다. 이중층수산화물은 서로 다른 금속 이온이 한 층에 고르게 섞여 있고, 이 층이 겹겹이 쌓인 구조다. 연구팀은 온도와 가열 환경에 따른 이중층수산화물의 내부 구조(상변화)를 체계적으로 분석해 코발트와 철 이온이 섞인 새로운 이중층수산화물을 개발했다.
이 이중층수산화물을 공기 중에서 한 번 가열하면 지지체 역할을 할 금속 합금 뼈대가 굳고, 여기에 수소를 넣어 다시 가열하면 촉매 역할의 합금 나노입자가 지지체 표면으로 솟아오른다. 지지체와 촉매 모두 금속으로 구성된 SOC 전극이다.
연구팀은 개발 전극에 첨가제(GDC)를 넣어 반응에 필요한 산소도 빠르게 공급되도록 했다.
개발 SOC 전극은 800℃에서 수소를 연료로 사용할 때 기존 전극보다 약 1.5배 높은 최대 출력(1.57 W/cm²)을 나타냈다. 반대로 전기를 넣어 이산화탄소 분해와 일산화탄소 생산 실험에서는 200시간 동안 안정적으로 작동했다.
조승호 교수는 “전극 교체에 따른 장치 운영 비용을 절감해 SOC 대중화에 기여할 수 있을 것”이라며 “저온 촉매나 배터리 전극 등에 쓰이던 이중층수산화물을 분석해 SOC 전극에 처음 적용했다는 점도 의미 있는 연구 성과”라고 말했다.
이 연구 성과는 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 4월 16일자 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
