한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소에너지소재연구단 장혜정 박사, 윤경중 박사(단장) 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.

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.

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

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 창의형 융합연구 사업(CAP22072-000), 산업통상자원부(장관 안덕근) 가상공학 플랫폼 구축사업(P0022331) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Energy & Environmental Science」 (IF 32.4, JCR 분야 0.9%)에 최신 호에 게재됐다.

* 논문명 : Unveiling the high-temperature degradation mechanism of solid oxide electrolysis cells through direct imaging of nanoscale interfacial phenomena

[그림 1] 고급 투과전자현미경 분석을 활용하여 고체산화물 계면 열화 분석 (EES 논문 back cover image로 선정됨)

고체산화물 전기분해 전지 (Solid oxide electrolysis cell) 기술은 깨끗한 수소 생산을 위한 가장 효율적인 방법이지만, 전극 박리는 여전히 중요한 문제로 남아 있습니다. 전극 박리를 유발하는 원인을 규명하기 위해 최근 고급 투과 전자현미경과 밀도 함수 이론을 사용하여 나노미터 규모의 계면 열화를 발견하였습니다.

[그림 2] 전극 계면 박리의 원인 규명: 산소 이온 축적이 원자 구조 변화, 나노 결함 형성을 유발함

전해질을 통해 이동하는 산소 이온이 공기 전극과 만나는 3상 계면에서 화학반응을 통해 산소 가스를 발생시키고, 전자는 공기 전극을 통해 전달됩니다. 그러나 화학반응에 참여하지 못한 일부 산소 이온은 전해질 영역에 축적됩니다. 이 축적된 산소 이온들은 전해질의 원자 구조를 변형시켜 나노 결함과 아결정립을 형성하고, 결국 고체산화물 수전해 전지의 균열을 유발합니다. 

[그림 3] 투과전자현미경 회절 분석과 밀도 함수 이론을 통해 규명한 나노미터 크기의 계면 응력

첨단 투과전자현미경의 전자빔 회절 분석법을 통해 전해질 계면에 형성된 응력을 시각적으로 검증하였고, 밀도 함수 이론을 사용하여 산소 이온의 축적으로 인한 원자간 거리가 감소하는 현상을 밝혀냈습니다. 

 [그림4 ] 고온 수전해 전지 셀의 성능이 떨어지기 시작하는 초기 현상 메커니즘을 규명한 KIST 연구팀(장혜정 책임연구원, 윤경중 책임연구원, 최하늘 박사후연구원)