"수소 생산성 3배" KAIST, 고엔트로피 설계로 전지 반응성 향상

'고엔트로피' 원리로 수소 생산성을 높이는 기술이 개발됐다. 이 기술은 수소 가격을 낮춰 친환경 에너지로의 전환을 앞당길 수 있다는 점에서 주목받는다. 고엔트로피는 3개 이상 원소를 섞어 단일 고용체를 이루는 재료에서 배열 엔트로피가 커져 안정성과 기계적 특성이 개선되는 것을 말한다.

KAIST는 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 엔트로피를 극대화하는 설계로 전지의 반응 속도와 출력 성능을 향상한 신개념 '산소 전극 소재'를 개발했다고 5일 밝혔다.

(윗줄 왼쪽부터) KAIST 이강택 교수, 오세은 박사과정, 한국지질자원연구원 정인철 연구원, (아랫줄 왼쪽부터)KAIST 김동연 박사, 김형근 박사과정. KAIST

산소 전극 소재는 전지에서 수소를 생산할 때 산소가 생성되는 반응이 일어나는 구성 요소다. 물에서 탄소 배출 없이 수소를 생산하는 '그린 수소 기술'은 미래 청정에너지의 핵심이 된다.

특히 프로톤 전도성 전기화학 전지(PCEC)는 전기 에너지를 이용해 물을 분해하고, 이때 수소 이온이 내부를 오가면서 수소를 만들어내는 장치다. 이 전지는 높은 효율로 주목받는 이면에 전지 내부 산소 전극에서 반응 속도가 느려 성능 향상에 한계를 보이기도 한다.

통상 복수의 원소를 섞었을 때는 구조가 불안정해지기 쉽다. 하지만 적절한 조성은 엔트로피를 극대화해 오히려 안정된 단일 구조를 유지하는 데 도움이 될 수 있다.

연구팀은 이러한 고엔트로피 전략을 통해 PCEC의 한계를 개선했다. 전극 구조 안에서 금속 원소가 들어가는 자리(A-site)에 7종의 금속 원소(Pr·La·Na·Nd·Ca·Ba·Sr 등)를 동시에 도입한 '고엔트로피 이중 페로브스카이트 산소 전극'을 설계한 것이 주효했다.

이 전극은 금속과 산소가 규칙적으로 배열된 '페로브스카이트' 구조를 기반으로 서로 다른 금속이 섞여 있는 이중 구조에 여러 원소를 섞은 고엔트로피 설계를 적용한 것이 특징이다.

이처럼 다양한 금속이 뒤섞이면서 전극 내부의 전하 이동과 산소 관련 반응은 보다 활발해지고, 이를 통해 전기 생산과 수소 생산 반응도 빠르게 일어나는 원리다.

Advanced Energy Materials 저널 표지. KAIST

특히 밀도범함수이론(DFT) 계산 결과, 전극 내부에서 반응이 일어날 수 있는 '빈자리'를 만드는 데 필요한 산소 결함 형성 에너지가 기존보다 60% 이상 낮아진 것으로 나타났다. 이는 반응이 일어날 수 있는 공간이 '더 쉽게 그리고 더 많이 만들어진다'는 것을 의미한다.

실제 물질 내부에서 이온의 분포와 이동을 확인하는 'TOF-SIMS' 분석기법에서 '고엔트로피 이중 페로브스카이트 산소 전극'의 수소 이온 이동 속도는 기존보다 7배 이상 빨라졌다. 전극 내부에서 수소가 생성되는 과정이 훨씬 빠르게 진행될 수 있음을 보여주는 결과다.

성능 역시 향상됐다. 새 전극을 적용한 전지는 650도에서 기존보다 2.6배 높은 전력 밀도를 기록, 수소 생산 성능이 기존보다 3배 우수했다. 같은 조건에서 보다 많은 전기와 수소를 만들어 낼 수 있게 된 것이다.

500시간 동안 진행한 수증기 조건 테스트에서도 성능 저하는 0.76%에 그쳤다. 장시간 사용에도 성능이 안정적으로 유지되는 것이 확인된 셈이다.

이 교수는 "엔트로피를 활용해 전극의 반응성을 제어할 수 있다는 것이 이번 연구를 통해 확인됐다"며 "그린 수소 생산 효율을 높여 수소경제 상용화를 앞당기는 데도 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 오세은 박사과정과 한국지질자원연구원 정인철 박사가 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 국제 학술지 '어드벤스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'에 게재되는 동시에 표지논문으로도 선정됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr