고온 수전해 전지 셀의 성능이 떨어지기 시작하는 초기 현상 메커니즘을 규명한 KIST 연구팀. 장혜정(왼쪽부터) 책임연구원, 윤경중 책임연구원, 최하늘 박사후연구원.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술연구원(KIST) 수소에너지소재연구단 장혜정, 윤경중 박사 연구팀은 첨단 투과전자현미경을 사용해 고온 수전해 전지 셀의 성능이 떨어지기 시작하는 초기 현상 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.

기존 연구가 수전해 전지 성능의 저하를 유발하는 열화의 최종 단계를 마이크로미터(1㎛·100만분의 1m) 수준에서 파악한 것과 달리, 열화 초기에 수전해 전지의 재료가 변화 과정을 나노미터(㎚·10억분의 1m) 수준에서 실험적으로 검증하는 데 성공했다.

연구팀은 수전해 전지의 공기전극과 전해질 사이에 발생하는 열화 메커니즘을 투과전자현미경(TEM) 회절분석과 이론 계산을 통해 규명했다. 관찰 결과, 수전해 반응이 일어나도록 산소를 주입하는 과정에서 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia; YSZ)라는 전해질에 산소 이온이 계면에 축적됐다.

이에 따라 원자구조가 변형되고 공기극과 전해질 사이에 균열이 발생해 전지의 성능 저하를 유발하는 것을 확인했다. 또한 계면에 형성된 응력 및 결함들을 시각적으로 검증함으로써 열화가 유발된 초기 단계에서 발생하는 이온-원자-나노결함-기공-균열 간의 상관관계를 밝히는 데 성공했다.

이번 연구 성과는 열화 메커니즘을 나노 스케일에서 규명한 최초의 연구로서, 장기 운전 시 고온 수전해 전지의 성능이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 가이드라인을 제공할 것으로 기대된다. 특히, 600℃ 고온에서 장시간 안정적으로 작동할 수 있는 재료 개발을 가능하게 함으로써 상용 수전해 전지의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 이번 연구에서 사용된 최첨단 투과전자현미경을 활용한 나노미터 단위의 분석기술은 다양한 에너지 소자의 열화 문제를 해결하는 데 응용될 수 있다.

고급 투과전자현미경 분석을 활용하여 고체산화물 계면 열화 분석 이미지.[KIST 제공]

연구팀은 고온 수전해 전지의 상용화를 앞당기기 위해 고온 수전해 전지 제조업체와 협력해 양산용 자동화 공정을 구축할 예정이다. 또한 수전해 셀의 특정 영역에서 산소 이온의 축적을 억제할 수 있는 새로운 소재를 개발해 수전해 전지의 대량 생산 효율을 높이고 생산 비용을 절감함으로써 청정수소의 생산 단가를 낮추는 연구를 수행할 계획이다.

장혜정 박사는 “첨단 투과전자현미경 기술을 이용해 지금까지 알려지지 않은 열화 현상의 원인을 초기 단계에서 파악할 수 있었다”며 “이를 바탕으로 고온 수전해 전지의 내구성과 생산 효율을 높일 수 있는 전략을 제시해 청정 수소 생산의 경제성 개선에 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘에너지 & 환경과학’ 최신호에 게재됐다.