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 한양대학교 김경학 교수가 최시혁 기계공학부 교수 연구팀, 한국과학기술연구원(KIST) 최선희 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 '양방향 프로토닉 세라믹 전지용 고활성 공기극 신소재' 개발에 성공했다고 밝혔다.

이번 연구를 통해 700시간 이상 안정적인 전력과 그린 수소의 동시 생산이 가능한 차세대 에너지 전환 기술의 실현 가능성을 입증했다.이번 연구성과는 최근 에너지재료 과학 분야의 국제 저명 학술지 '어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 온라인 출판됐다.

존의 친환경 에너지 변환 기술로 주목받아 온 '양방향 고체산화물 세라믹 전지(R-SOCs)'는 산소 이온의 전도를 통해 전력 생산과 수소 생산이 모두 가능하다. 이 시스템은 연료전지 및 수전해 기능을 하나로 통합한 장점이 있지만, 800℃ 이상의 고온 작동이 필요하기 때문에 시스템 비용이 증가할 뿐만 아니라 셀 열화로 인한 전지 성능 및 수명이 저하될 수 있고, 공기극과 전해질 간의 열기계적 불일치 등의 문제가 발생한다.

이를 보완하기 위해 개발된 '양방향 프로토닉 세라믹 전지(R-PCCs)'는 산소 이온보다 크기가 작고 활성화 에너지가 낮은 프로톤을 전하 운반체로 사용하여 작동 온도를 중저온 영역(400~600℃) 수준으로 낮출 수 있어 열적 안정성과 비용 측면에서 우수한 이점을 가진다. 다만, 낮은 작동 온도에서는 공기극에서의 산소 환원 반응(ORR)과 산소 발생 반응(OER)이 느리게 일어나 전기화학 성능을 저해하는 주요 원인이 된다.

연구팀은 적층형 페로브스카이트(Layered perovskite) 소재에 전이 금속을 도핑, R-PCC용 공기극으로 새롭게 제안했다. 특히, 특정 원소를 선정하여 검증된 소재에 활용한 기존 연구들과 달리, 문헌 조사부터 데이터 생성, 데이터베이스 구축 및 활용에 이르는 체계적인 소재 설계를 추진하는 전략적인 접근을 시도했다.

이 과정에서 김경학 교수는 계산과학을 통하여 여러 전이금속 후보군 중 니켈(Ni) 도핑이 프로톤 결함 생성 측면에서 매우 우수한 특성을 나타냄을 확인하고, 이에 따라 니켈 도핑의 효과를 중점적으로 분석했다. 건조·수화 조건 아래에서 열중량분석(TGA)을 통해 프로톤 농도 및 열역학적 특성을 정량적으로 평가한 결과, 니켈 농도가 증가할수록 프로톤 결함의 형성이 활발해짐을 실험 결과 확인했다. 그 결과, 개발된 니켈 도핑 기반 공기극을 적용한 R-PCC는 700시간에 걸친 장기 양방향 구동 환경에서도 우수한 안정성을 유지했다.