초록 ▼

□ 연구개요
● 최근 수십 년간 비약적인 산업 발전으로 화석에너지 사용량이 증가하고 있으며, 기후변화, 미세먼지 등의 심각한 환경 문제들이 야기되고 있음. 이에 따라 화석에너지를 대체할 친환경에너지원들이 등장하고 있고, 그 중 수소 에너지는 효율이 높고, 지속가능한 에너지원임.
● 수소 에너지를 기반한 장치 중 가역고체산화물전지(RSOC)는 높은 온도에서 작동하여 효율이 상대적으로 높고, 귀금속 촉매를 사용할 필요가 없으며, 다양한 연료들을 사용할 수 있다는 장점이 있음. 또한 물이나 천연가스로부터 수소를 생산하는 수전해

□ 연구개요
● 최근 수십 년간 비약적인 산업 발전으로 화석에너지 사용량이 증가하고 있으며, 기후변화, 미세먼지 등의 심각한 환경 문제들이 야기되고 있음. 이에 따라 화석에너지를 대체할 친환경에너지원들이 등장하고 있고, 그 중 수소 에너지는 효율이 높고, 지속가능한 에너지원임.
● 수소 에너지를 기반한 장치 중 가역고체산화물전지(RSOC)는 높은 온도에서 작동하여 효율이 상대적으로 높고, 귀금속 촉매를 사용할 필요가 없으며, 다양한 연료들을 사용할 수 있다는 장점이 있음. 또한 물이나 천연가스로부터 수소를 생산하는 수전해 전기화학 장치로도 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있음.
● 가역고체산화물전지의 상용화를 위해서는 무엇보다 중요한 것이 성능을 좌우하는 공기극 소재의 산소발생/환원반응 촉매 특성임. 본 연구과제에서는 기존의 페로브스카이트 소재보다 상안정성이 높고, 촉매 특성이 더 우수한 신규 소재를 설계하고 이론적 분석을 통하여 이를 규명하고, 실제 셀을 제작하여 성능을 검증함.

□ 연구 목표대비 연구결과
● 본 과제 연구 목표인 ‘차세대 가역고체산화물전지용 이원기능성 신규 전극소재의 이론적 탐구 및 고효율 셀 개발’를 위해 신규 공기극 재료를 디자인하고, 적용하여 고효율의 가역고체산화물전지를 제조함.
● 기존 고체산화물전지에서 많이 사용되고 있는 코발트 기반 페로브스카이트 기반의 공기극 소재 대신 BaFeO_3-δ (BFO), Ruddlesden-popper 구조의 La_n+1Ni_nO_3n+1(n=1~4)를 신규 공기극으로 제시함으로써 가역고체산화물전지에서의 연료전지 및 전해전지 반응에서 필요한 분석 및 성능 측정을 진행하였음. 페로브스카이트 구조의 BFO는 800 ℃에서 약 1.2 W/cm²의 출력밀도(연료전지 모드), 1.6 V에서 약 –2.0A/cm²의 전류밀도를 보였음. 또한 Ruddlesden-popper 구조의 LNO는 700 ℃에서 약 0.7 W/cm²를 나타냄.
● 저온에서의 전기전도도를 향상시키고자 하였고, 두 가지 구조가 층을 이뤄 상을 이루고 있으며, 기존 소재에 비해 낮은 열팽창계수를 갖는 미스핏(misfit) 구조의 칼슘코발트옥사이드(Ca₃Co₄O_9-δ)를 연구함. 700 ℃에서 약 0.79 W/cm²의 출력밀도, 1.6V에서 매우 높은 –9.48 A/cm²의 전류밀도를 보임.
● 실제 가역고체산화물전지에서의 운전 간 열화 방지 프로토콜로 총 3가지 (Air depletion, Shunt current, FC/Electrolysis cycling)의 로직을 제시하였고, 내구성 평가 결과 연료전지 구성물인 산화물들의 열화를 최소화하였음.

□ 연구개발결과의 중요성
● 가역고체산화물전지에서의 반응 결정 단계는 공기극의 산소환원반응임. 해당 반응이 잘 일어날 수 있도록 촉매적 역할을 하는 공기극 개발이 필요함. 또한, 수소 경제시대가 시작됨에 따라 연료전지의 기본 연료인 수소 생산도 매우 중요한 실정임. 가역고체산화물전지는 한 개의 구조의 장치로 수전해 및 전기 생산을 할 수 있고, 높은 효율을 갖는 유일한 디바이스임.
● 그에 따라 본 연구를 통해 산소 이온전도도가 높은 소재들을 찾고자 하였음. 해당 소재로는 페로브스카이트계의 BFO와 Ruddlesden-popper 구조의 LNO가 촉매적 성능이 우수하여 차세대 공기극 소재로 제시됨. 또한 미스핏(misfit) 구조의 Ca₃Co₄O_9-δ에 Ca-site에 알칼리 금속인 Li, Na, K을 도핑하여 억셉터 효과를 통하여 추가적인 산소 공공과 정공들의 발생으로 전도도 향상을 유도하였음.
● 산화물전지는 고온에서 작동하기 때문에, 열화 문제가 심하다는 단점을 갖고 있음. 그에 따라 연료전지를 구성하는 산화물들의 열화를 방지하는 열화 방지 프로토콜 개발로 실제 상업화에 있어 큰 가능성을 제시함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• ◇ 코발트(Cobalt)가 없는 perovskite 구조 BaFeO3 산소발생/환원촉매 연구 ... 5
• ◇ 다층 Ruddlesden-popper 구조의 lanthanum nickelate (LaNiO3) ... 9
• ◇ 알칼리금속 도핑 미스핏 공기극 소재적용 가역프로톤세라믹전지 ... 16
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 18
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 28
• 끝페이지 ... 42