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KIST 한국과학기술연구원 Korea Institute of Science and Technology

최신연구성과

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제목 친환경 수소 연료전지 성능·효율 증대시킬 비밀 찾았다
연구팀 고온에너지재료연구센터 이종호 박사팀 조회수 3510
파일첨부

- 나노 구조 박막 고체전해질의 전기전도도 향상 매커니즘 원리 규명


- 내부응력 조절을 통한 새로운 설계방안 확립 및 고성능 연료전지 개발 기대

 

 

연료전지에 들어가는 전해질 중 고체전해질은 높은 선택적 이온 전도 특성과 기계·전기화학적 안정성 때문에 친환경 에너지 전환 및 저장시스템으로 각광받고 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 등 다양한 차세대 에너지 분야에 사용되고 있다. 그러나 이러한 친환경 에너지시스템에 필수적으로 사용되고 있는 박막형 고체전해질에서 나노구조재료의 실효성에 대한 검증문제로 실용화에 어려움을 겪고 있었다. 최근 국내연구진이 그간 논란이 되어온 전기전도도 향상 메커니즘을 최초로 규명하고, 이를 기반으로 고체전해질의 물성을 향상시킬 수 있는 원자스케일의 새로운 설계 방안 및 기법을 제시했다고 밝혔다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 이종호 박사팀은 박막형 고체 산화물 전해질의 내부응력을 조절하여 기존 재료보다 높은 전기전도도를 가지는 고체전해질을 개발하였다.

 

그동안 재료의 나노구조화를 통한 물성 향상 현상에 대한 결과는 많이 보고되었지만, 실험적으로 제어하기 어려운 변수들과 재현성이 없는 실험 결과로 인해 고성능의 나노구조재료를 실제 에너지 시스템에 적용하는데 한계가 있었고, 고성능이 발현되는 정확한 메커니즘 조차 규명하는데 어려움이 있었다.

 

KIST 연구진은 전도성 기판을 이용하여 전기전도도 측정 시 실험적 오차를 발생시키는 요인들을 효과적으로 제거할 수 있는 실험기법을 설계하고, 나노구조에서 발생하는 내부 응력을 정량적으로 평가할 수 있는 고분해능의 분석장비를 도입하여 나노구조 고체전해질의 이온전도도를 박막의 내부응력 제어를 통해 효과적으로 향상시킬 수 있는 새로운 설계 기법을 제시하였다.  

 

KIST 이종호 박사팀은 연료전지나 배터리의 내부에 들어가는 고체전해질을 박막으로 성장시켰을 때 발생하는 응력을 이용하면, 재료의 원자간 거리를 제어할 수 있고 이를 통해 고체전해질 내에서 이온이 이동할 때 필요한 에너지장벽을 낮춰 기존 고체전해질 고유의 물성 보다 약 10배 이상 높은 전기전도도를 보여 고성능의 박막 고체전해질을 개발할 수 있다고 밝혔다.

 

본 연구를 주도한 KIST 이종호 박사는 “이번 고성능 박막 고체전해질 개발을 통해 원자스케일에서 재료의 물성을 설계하는 새로운 패러다임을 제시한 연구로, 고성능의 박막 고체전해질을 실제 친환경 에너지 시스템에 적용하고, 기존보다 획기적으로 향상된 성능의 연료전지를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 저명 학술지 ‘나노레터’ (Nano Letters, (IF : 12.712, JCR 상위 3.45%)) 최신호에 게재되었다.


* (논문명) Identification of an Actual Strain-Induced Effect on Fast Ion Conduction in a Thin-Film Electrolyte
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 안준성 학생연구원(박사과정)
          - (교신저자) 한국과학기술연구원 이종호 책임연구원

 

 

<그림설명>

 

아래 자세한 사진 설명 참조


<그림 1>
(좌측)박막 고체전해질의 내부응력에 의한 산소이온전도도 향상 메커니즘 모식도
(우측)실제 박막 내 작용하는 응력과 산소이온전도 에너지장벽 간 상관관계 실험결과

 

 

 

 

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