김상섭 기자
고성능 가역 용융탄산염 전지 개발 모형도와 연구진.(사진= 인천대 제공)
[뉴스통신=김상섭 기자] 인천대-한국과학기술연구원(KIST)연구팀이 고성능가역 용융탄산염 전지개발해 주목받고 있다.
26일 인천대학교(총장 이인재)는 신소재공학과 명재하교수-KIST 윤성필 박사팀이 고성능 가역용융탄산염전지(Molten Carbonate Cell, MCC)구현에 성공했다고 밝혔다.
연구팀은 단일 전극소재가 운전환경에 따라 서로다른 촉매로 스스로 재구성되는 ‘자가 조립형 대칭전극’기술을 개발하고, 이를 적용했다.
이번 성과는 기존 상용전극의 성능한계와 복잡한 제조공정을 동시에 해결하며, 관련기술 분야에 새로운 전환점을 제시했다.
이번 연구팀이 개발한 용융탄산염 전지는 약 650°C의 중고온에서 작동하는 차세대 전기화학 시스템이다.
화학에너지로부터 전력을 생산하는 발전모드와 전기에너지를 활용해 연료를 생산하는 전해 모드를 자유롭게 오갈 수 있는 가역운전이 가능하다.
또, 고온폐열을 활용한 복합운전이 가능해 시스템효율이 높고 천연가스∙바이오가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있는 유연성을 갖는다.
특히, 용융탄산염 전지는 탄소포집과 활용을 동시에 수행할 수 있다는 점에서 독보적인 차별성을 지닌다.
산업공정이나 발전소발생배기가스를 공기극에 주입함으로써 이산화탄소를 포집할 수 있으며, 전해모드에서는 물과 CO2를 동시전환해 수소 및 합성가스를 생산할 수 있다.
이는 탄소배출저감을 넘어 탄소를 고부가가치 자원으로 재순환하는 탄소중립형 에너지사회 실현을 위한 핵심기술로 주목받고 있다.
그러나, 기존 니켈기반 상용전극은 공기극 반응속도가 느리고, 장기운전시 니켈이 전해질로 용해되는 문제가 있어 효율과 내구성 측면에서 한계를 보여왔다.
이를 개선하기 위해 산화물코팅이 필요했으나, 대면적 제조와 재현성 확보가 어려워 상용화에 제약이 있었다.
연구팀은 상용니켈 전극을 란타넘 (La) 코팅용액에 담갔다 빼는 간단한 ‘단일 원소 딥 코팅 (Single-element dip-coating)’ 공정을 도입해 제조공정의 복잡성을 크게 낮췄다.
아울러, 805㎡ 대면적 전극에서도 균일한 코팅특성과 높은 재현성을 확보해 스택적용 가능성을 입증했다.
그리고, 공기극과 연료극에 동일한 전극소재를 적용하는 대칭구조를 채택함으로써 부품수를 줄이고 셀조립 공정을 획기적으로 단순화했다.
전지시동을 위한 열처리 및 운전과정에서 란타넘이 코팅된 전극은 각 전극환경에 따라 스스로 구조를 재구성하는 ‘운전 중 자가조립 (Operando self-assembly)’ 현상을 나타냈다.
그 결과, 공기극 환경에서는 LaNiO3촉매가 형성되고, 연료극 환경에서는 Ni 나노입자가 용출된 La2O3 촉매가 형성돼 각각의 전극반응을 효과적으로 촉진했다.
본 기술을 통해 전극저항을 기존대비 약 60% 감소시켰으며, 전해모드에서 90.3%의 높은 에너지효율을 달성했다.
이밖에도, 200시간이상의 가혹한 가역운전조건에서도 안정적인 전압을 유지해 우수한 내구성을 입증했다.
특히, 귀금속을 사용하지 않고도 성능향상과 공정단순화를 동시에 달성함으로써 경제성과 산업적 확장성을 높였다.
이에 따라 본 기술은 탄소중립 및 지속가능한 미래에너지 사회실현을 앞당길 핵심 기반기술로 기대된다.
한편, 연구는 인천대 명재하 교수팀의 원보람 박사과정생 (제1저자), 김예은 석사과정생 (제2저자)과 KIST 윤성필 박사팀의 김갑인 박사(제3저자)의 협업으로 진행됐다.
또, 산업통상자원부 및 과학기술정보통신부 재원으로 한국에너지기술평가원 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행했다.
그리고, 촉매 및 에너지분야 국제저명 학술지(Applied Catalysis B: Environment and Energy, IF=21.1 JCR 0.99%)에 2월 온라인 게재됐다.
