연료전지에 들어가는 전해질 중 고체전해질은 높은 선택적 이온 전도 특성과 기계·전기화학적 안정성 때문에 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, COFC) 등 다양한 차세대 에너지 분야에 사용되고 있습니다. 고체전해질이 생소하신가요? 고체 상태에서 이온만 선택적으로 전도시키는 물질을 말합니다.
하지만 이러한 박막형 고체전해질에서 나노구조재료의 실효성에 대한 검증문제로 인해 실용화에 어려움을 겪고 있었는데요. 최근 국내 연구진이 그간 논란이었던 전기전도도 향상 매커니즘을 최초로 규명하고, 이를 기반으로 고체전해질의 물성을 향상시킬 수 있는 원자스케일의 새로운 설계 방안 및 기법을 제시했다고 밝혔습니다.
한국과학기술원(이하 KIST)의 고온에너지재료연구센터 이종호 박사팀이 그 주인공인데요. 박막형 고체 산화물 전해질의 내부응력을 조절해 기존 재료보다 높은 전기전도도를 가지는 고체전해질을 개발했습니다.
그동안 재료의 나노구조화를 통한 물성 향상 현상에 대한 결과는 많이 보고됐지만, 실험적으로 제어하기 어려운 변수들과 재현성 없는 실험 결과로 인해 고성능의 나노 구조재료를 실제 에너지 시스템에 적용하는데 한계가 있었습니다. 또 고성능이 발현되는 정확한 메커니즘 조차 규명하기 어려웠어요.
그래서 KIST의 연구진은 전도성 기판을 이용해 전기전도도 측정 시 실험적 오차를 발생시키는 요인들을 효과적으로 제어할 수 있는 실험기법을 설계했습니다. 또 나노구조에서 발생하는 내부 응력을 정량적으로 평가할 수 있는 고분해능의 분석장비를 도입해 나노구조 고체전해질의 이온전도도를 박막의 내부응력 제어를 통해 효과적으로 향상시킬 수 있는 새로운 설계 기법을 제시했죠.
KIST 이종호 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 낮춰 기존 고체전해질 고유의 물성보다 약 10배 이상 높은 전기전도도를 보여 고성능의 박막 고체전해질을 개발할 수 있다고 밝혔습니다.
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 밝혔습니다.
