AI로 2860개 구조 뒤졌다…수소전지 성능 4.4배 높인 설계 원리 찾았다[과학을읽다]

서울대 등 공동연구팀, 이온·전자 이동 균형 맞춘 공기극 개발…'네이처 에너지' 표지논문

인공지능(AI)으로 2860개의 원자 계면 구조를 분석해 수소를 생산하고 다시 전기로 바꾸는 '가역형 고체산화전지(RSOC)'의 성능을 크게 높일 새로운 설계 원리가 규명됐다. 이온과 전자가 균형 있게 이동하도록 공기극을 설계한 결과 기존 전극보다 연료전지 성능은 2.6배, 수전해 성능은 4.4배 향상됐다.

서울대 공대는 한정우 재료공학부 교수 연구팀이 박준영 세종대 교수, 송선주 전남대 교수, 라이언 오헤어 미국 콜로라도 광업대 교수 연구팀과 공동으로 이온전도도와 전자전도도의 균형을 갖춘 새로운 복합 공기극을 개발했다고 11일 밝혔다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재돼 7월호 표지논문으로 선정됐다.

Nature Energy 7월호 표지. 연구진 제공

RSOC는 하나의 장치에서 물을 분해해 수소를 생산하는 수전해와 수소를 이용해 전기를 만드는 연료전지 기능을 모두 수행한다. 태양광·풍력 등 재생에너지에서 남는 전력을 수소로 저장했다가 필요할 때 다시 전기로 바꿀 수 있어 에너지저장 기술로 주목받고 있다.

성능을 좌우하는 핵심 가운데 하나가 산소 이온 교환 반응이 일어나는 공기극이다. 기존에는 이온과 전자를 함께 전달하는 혼합 전도체와 산소 이온을 전달하는 GDC를 결합해 사용해왔다. 하지만 GDC의 전자전도도가 이온전도도보다 약 1000배 낮아 전자 이동이 병목을 일으켰다. 이 때문에 산소 반응이 두 소재가 만나는 좁은 경계에 집중돼 전극 전체를 충분히 활용하기 어려웠다.

AI 기반 가역형 고체산화전지 시뮬레이션. 머신러닝으로 2860개 계면 구조를 분석해 산소 이온의 생성·이동과 전하 전달 특성을 원자 수준에서 규명했다. 연구진 제공

연구팀은 GDC 대신 이온과 전자의 이동 능력이 상대적으로 균형을 이루는 프로톤 전도체 'BCZYYb7111'을 적용하고, 이를 비스무트 층상구조의 혼합 전도체 'GCCCO'와 결합했다.

새로운 공기극을 적용한 결과 연료전지 모드에서 최대 출력밀도 7.08W/㎠, 수전해 모드에서는 1.3V에서 7.88A/㎠를 기록했다. 기존 LSCF-GDC 공기극과 비교하면 각각 2.6배와 4.4배 높은 성능이다. 다른 여러 공기극 소재에서도 GDC를 BCZYYb7111으로 교체하자 연료전지 성능은 38~129%, 수전해 성능은 50~104% 향상됐다.

AI로 원자 계면 2860개 분석…성능 향상 원인까지 규명

연구팀은 성능이 높아진 원인을 찾기 위해 머신러닝 원자간 퍼텐셜(MLIP)과 분자동역학(MD), 밀도범함수이론(DFT)을 결합한 AI 기반 다중스케일 시뮬레이션을 구축했다. 기존 계산법만으로 대규모 분석하기 어려웠던 2860개의 계면 구조를 탐색했다.

분석 결과 새로운 공기극에서는 산소 이온이 이동할 수 있는 '산소 공공'이 쉽게 형성되고 산소 이온의 이동 속도가 빨라지는 것으로 나타났다. 계면에서는 이온과 전자의 이동을 촉진하는 강한 내장전위도 형성됐다. 연구팀은 이들 요인이 함께 작용해 산소 이온 교환 반응을 촉진한다는 사실을 원자 수준에서 규명했다.

연구진 사진. (왼쪽부터) 이원준 서울대 재료공학부 박사과정생, 문진욱 서울대 재료공학부 석박통합과정생, 송선주 교수(전남대 신소재공학부, 교신저자), 박준영 교수(세종대 나노신소재공학과, 교신저자), 한정우 교수(서울대 재료공학부, 교신저자). 서울대 제공

특히 이번 연구는 특정 소재의 성능을 높이는 데 그치지 않고 RSOC 공기극에서 이온전도도와 전자전도도의 균형이 중요하다는 설계 기준을 제시했다는 데 의미가 있다. 연구팀은 이를 활용하면 수전해를 통한 그린수소 생산과 연료전지 발전 효율을 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대했다.

한 교수는 "인공지능 기반 멀티스케일 시뮬레이션을 통해 2860개의 계면 구조를 체계적으로 탐색함으로써 복합 공기극 계면이 RSOC 성능을 높이는 원자 수준 메커니즘을 정량적으로 규명했다"며 "이온전도도와 전자전도도가 균형을 이뤄야 한다는 새로운 공기극 설계 기준이 향후 소재 선정과 전지 설계의 출발점이 될 것"이라고 말했다.

이원준 서울대 재료공학부 박사과정생과 문진욱 석박사통합과정생 등이 연구에 참여했으며, 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr