【SJB세종TV=최정현 기자】 국립한밭대학교 신소재공학과 김정현 교수 연구팀이 차세대 고체산화물 연료전지(SOFC)의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 공기극 조성의 특성을 규명했다.
해당 연구는 코발트(Co) 및 철(Fe) 치환 효과를 규명함으로써 중․저온 고체산화물 연료전지(IT-SOFC)용 공기극 설계 전략을 제시할 수 있는 가능성을 보여줬다.
이번 연구는 홍유택 석사과정생이 제1저자로 참여했으며, 지난 23일 한국세라믹학회 SCI 학술지 ‘Journal of Korean Ceramic Society’ 온라인판에 ‘Electrical conductivity and electrochemical characteristics of layered perovskite cathodes with Co and Fe substitution’라는 제목으로 게재됐다.
연구팀은 적층형 페로브스카이트 구조의 SmBaCo2xFe2(1-x)O5+δ(SBCF) 조성을 합성해 Co와 Fe의 치환 비율에 따른 전기적․전기화학적 특성을 체계적으로 분석했다.
그 결과, Co 치환량이 높은 조성(x≥0.7)에서 최소 100S/cm 이상의 전기전도도를 확보했으며, 특히 SBCF 1.8–0.2_1200 조성은 300℃에서 764.99S/cm의 최고 전도도를 기록했다.
또, SBCF와 CGO91을 혼합한 복합 공기극 중 SBCF 1.8–0.2_1100 조성은 700℃에서 0.06Ω․㎠의 낮은 면적비저항(ASR)을 나타내며 탁월한 전기화학적 성능을 입증했다.
연구팀은 이러한 성능 향상이 이온 수송 개선, 열팽창 불일치 감소, 삼상경계면(TPB) 확장 효과에 기인한다고 설명했다.
이와 함께, 주사전자현미경(SEM) 분석 결과, 열처리 온도가 높아질수록 입자 성장이 촉진되고 치밀한 미세구조가 형성됨을 확인했으며, 특히 SBCF 1.8–0.2_1200 조성은 평균 입자 크기가 약 4.68㎛로, 높은 전도도와 일관된 성능을 보였다.
신소재공학과 김정현 교수는 “이번 연구를 통해 Co와 Fe의 치환을 통한 조성 제어가 전기전도도와 전극 성능에 미치는 영향을 규명했다”며 “특히 최적 조성을 도출해 차세대 IT-SOFC용 공기극 설계에 새로운 방향을 제시한 성과”라고 강조했다.
또, 홍유택 석사과정생은 “Co와 Fe의 치환 비율에 따른 전도도와 전극 성능 변화를 체계적으로 규명한 것이 이번 연구의 핵심 성과로, 특히 실제 작동 환경에서도 활용 가능한 공기극 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크며, 앞으로는 IT-SOFC용 고성능 소재 개발에 더욱 집중하고 싶다”고 밝혔다.
이 연구는 국립한밭대학교와 ㈜EXSEN, 브루나이다루살람대학교(Universiti Brunei Darussalam), 한국표준과학연구원이 공동으로 수행했으며, 과학기술정보통신부 ‘충청권 분산 에너지 대응 에너지기술공유대학(No. RS-2024-00394769)’의 지원을 받아 수행됐다.
