(左부터)박막 고체전해질의 내부응력에 의한 산소이온전도도 향상 메커니즘 모식도, 실제 박막 내 작용하는 응력과 산소이온전도 에너지장벽 간 상관관계 실험결과

국내연구진이 친환경에너지인 수소연료전지에 사용되는 고체전해질이 더욱 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는 매커니즘을 규명했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 이종호 박사팀은 박막형 고체 산화물 전해질의 내부응력을 조절해 기존 재료보다 높은 전기전도도를 가지는 고체전해질을 개발했다고 지난 30일 밝혔다.

고체전해질은 연료전지에 들어가는 전해질로 높은 선택적 이온 전도 특성과 기계·전기화학적 안정성 때문에 친환경 저장시스템으로 주목받는 고체산화물 연료전지(SOFC) 등 다양한 차세대 에너지 분야에 사용되고 있다.

하지만 여기서 필수적인 소재인 박막형 고체전해질의 나노구조재료의 실효성에 대한 검증문제로 실용화에 어려움을 겪고 있었다.

그동안 재료의 나노 구조화를 통한 물성 향상 현상에 대한 결과는 많이 보고됐지만 고성능 나노구조재료를 실제 에너지 시스템에 적용하는데 한계가 있었고, 고성능이 발현되는 정확한 메커니즘을 규명하는데 어려움이 있었다.

이에 연구진은 전도성 기판으로 전기전도도 측정 시 실험적 오차를 발생시키는 요인들을 효과적으로 제거할 수 있는 실험기법을 설계하고 고해능 분석장비로 나노구조 고체전해질의 이온전도도를 박막의 내부응력 제어를 통해 향상시킬 수 있는 새로운 설계 기법을 제시했다.

이종호 KIST 박사팀은 연료전지나 배터리의 내부에 들어가는 고체전해질을 박막으로 성장시켰을 때 발생하는 응력을 이용하면, 재료의 원자간 거리를 제어할 수 있고 이를 통해 고체전해질 내에서 이온이 이동할 때 필요한 에너지장벽을 낮출 수 있음을 밝혔다.

또한 기존 고체전해질 고유의 물성 보다 약 10배 이상 높은 전기전도도를 보여 고성능의 박막 고체전해질을 개발할 수 있는 것으로 나타났다.

이종호 박사는 “이번 고성능 박막 고체전해질 개발을 통해 원자스케일에서 재료의 물성을 설계하는 새로운 패러다임을 제시한 연구로, 고성능의 박막 고체전해질을 실제 친환경 에너지 시스템에 적용하고, 기존보다 획기적으로 향상된 성능의 연료전지를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 저명 학술지 ‘나노레터’ (Nano Letters, IF:12.712) 최신호에 게재됐다.