나노미터급 관찰로 수전해 전지 열화 규명…산소이온 축적 탓

KIST 수소에너지소재연구단, 투과전자현미경으로 재료 변화 검증

"산소 이온 축적 억제 신소재 개발 목표…수소 생산 경제성↑"

수전해 전지 열화를 밝히는 데 쓰인 첨단 투과전자현미경(한국과학기술연구원 제공)

(서울=뉴스1) 윤주영 기자 = 한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 수전해 전지의 성능 저하의 '초기 단계' 메커니즘을 규명했다. 수전해는 물을 전기분해해 에너지원인 수소로 바꾸는 기술이다.

16일 KIST에 따르면 연구원 수소에너지소재연구단 최하늘·장혜정·윤경중(단장) 박사 연구팀은 나노미터(㎚·10억분의 1m) 수준에서 전지 재료 변화를 실험적으로 검증했다.

기존 연구로는 마이크로미터(㎛·100만분의 1m)급 변화만 관찰할 수 있어 열화 초기현상을 관찰하기 어려웠다. 연구진은 첨단 투과전자현미경(TEM)을 사용해 이를 극복했다.

구체적으론 TEM 회절분석이 이뤄졌다. 회절분석은 TEM에서 전자를 쏘아 물질이 전자를 어떻게 퍼뜨리는지를 보는 방법이다. 수전해 전지 공기전극과 전해질 사이 발생하는 열화를 이론적으로 계산할 수 있었다.

전해질 계면상 산소 이온 축적에 수전해 전지 열화 모식도(KIST 제공)

그 결과 수전해에 필요한 산소 주입 과정에서 공기극과 전해질 사이 균열이 발생한다는 것을 확인했다. 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)라는 전해질 계면에 산소 이온이 축적된 탓이다. 이런 균열은 성능 저하의 원인이다.

연구는 수전해 장기 운전 시 전지 성능 저하를 해결할 단서로 작용할 수 있다. 섭씨 600도 고온의 장기 수전해 과정에서도 버틸 수 있는 재료가 필요하다.

연구팀은 수전해 전지 특정 영역에서 산소 이온 축적을 억제하는 신소재를 개발할 계획이다.

장혜정 박사는 "고온 수전해 전지의 내구성과 생산 효율을 높일 수 있는 전략을 제시해 청정 수소 생산의 경제성을 높이겠다"고 말했다.

연구는 국제 학술지 '에너지 앤 엔바이런멘털 사이언스'에 7월 30일 게재됐다.

가장 오른쪽부터 시계방향으로 최하늘 KIST 박사후연구원(제1저자)·장혜정 책임연구원·윤경중 수소에너지소재연구단장

legomaster@news1.kr

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