차세대 페로브스카이트 전해질 기반 All-세라믹 전극이 적용된 고체산화물전해전지(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cells)의 국내 기술이 개발돼 수소생산 또는 CO₂ 전기분해 등의 다양한 에너지 변환 기술로 응용이 가능해질 것으로 기대된다.
SOEC는 전해질에 전력을 공급해 물을 수소와 산소로 분해하여 수소를 얻는 전지로 탄소중립과 수소경제를 위한 차세대 핵심 기술로 주목받고 있다.
세라믹 전극을 개발하여 고효율 연료전지 발전과 CO₂ 전기분해가 가능한 고내구성 All-세라믹 SOEC을 개발한 주역은 한국세라믹기술원 신태호·이석희 박사 연구팀, 한국과학기술원 이강택 교수다.
기존 SOEC는 니켈전극을 사용하고 있다. 전해 활성은 뛰어나지만, 장시간 운전 시 니켈입자의 조대화(니켈 금속 촉매 입자끼리 응집되어 입자가 커져 화학반응이 활성화 될 수 있는 비표면적이 줄어들어 성능이 저하되는 현상) 및 CO₂의 불완전 환원으로 인한 탄소 침착 등 문제점을 안고 있다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 새로운 산화물전극 소재로 망간(Mn)과 철(Fe)을 첨가하여 세륨산화물(CeO₂) 전극 표면에 산소공공(세라믹 산화물 결정구조에서 원자간 결합되어 있는 격자 내에서 산소이온의 빈 자리)을 극대화했다. 이를통해 연료전지의 전력생산 뿐만 아니라 전해전지에서 수소를 고효율로 생산하거나 CO₂를 전기분해하여 CO로 환원하고, 반대 전극에서 O₂를 발생하는 All-세라믹 SOEC를 연구했다.
그 결과 고성능 이온전도성 페로브스카이트 전해질 지지체 기반의 All-Ceramic SOEC 기술을 완성, 고효율 전력생산은 물론 수소생산과 CO2 전기분해 저감 활용으로 탄소중립 실현에 한발 다가서게 되었다.
SOEC 관련 세계 시장은 지속적으로 성장을 하고 있으나 국내는 해외기업의 기술에 의존하고 있는 실정이다.
신태호 한국세라믹기술원 센터장은 “세륨산화물(CeO₂)의 결정구조 해석과 치환 금속에 따른 산소공공의 존재를 과학적으로 증명하였고, 기존 보다 우수한 내구성과 90% 이상의 CO2 전기 변환 효율이 나왔다”며 “차세대 전해질 기반 All-Ceramic SOEC 기술은 다양한 에너지 변환 분야에 접목되어 탄소중립의 실현하기 위한 핵심 기술이 될 것이다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 산업부의 한국산업기술평가관리원이 추진하는 소재부품패키지 사업과 한국에너지기술평가원이 지원하는 에너지효율관리기술개발사업, 한국산업기술진흥원이 추진하는 국제공동 유레카 사업을 통해 수행됐다. 연구결과는 세계적 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials, IF 25.245)의 표지논문으로 선정돼 2021년 5월 온라인판에 게재됐다.
강진성기자 news24@gnnews.co.kr 어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy materials) 표지논문으로 게재된 고내구성 올 세라믹 SOEC. 고성능 올-세라믹 SOEC기술을 완성한 (왼쪽부터)한국세라믹기술원 신태호 센터장, 이석희 박사, 한국과학기술원 이강택 교수. 사진제공=한국세라믹기술원
