국립한밭대학교(총장 오용준) 신소재공학과 김정현 교수 연구팀이 대칭형 고체산화물 연료전지(Symmetrical Solid Oxide Fuel Cell, SSOFC)에 적용 가능한 코발트 프리(Co-free) 층상 페로브스카이트 전극 소재의 성능을 체계적으로 규명한 연구 성과를 발표했다.

고체산화물 연료전지(SOFC)는 기존에 공기극과 연료극에 서로 다른 소재를 적용해야 하는 구조적 한계를 지닌다. 이를 극복하기 위해 하나의 전극 소재가 산화·환원 분위기 모두에서 안정적으로 작동하는 **대칭형 고체산화물 연료전지(SSOFC)**가 차세대 기술로 주목받고 있다.

이번 연구는 망간(Mn) 치환 비율에 따른 전극 소재의 전기화학적 성능, 전기전도도, 구조 안정성 변화를 종합적으로 분석하고, 이들 특성 간의 상관관계를 규명한 것이 핵심이다. 임유리 석사과정생이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제 저명 학술지 Ceramics International에 「Electrochemical properties of layered perovskite for the electrode of symmetrical solid oxide fuel cells」라는 제목으로 지난 30일 온라인 게재됐다.

연구팀은 SmBa(Fe₁₋ₓMnₓ)₂O₅₊δ(X=0, 0.1, 0.3, 0.5) 조성의 층상 페로브스카이트 산화물을 합성하고,LSGM(LaGaO₃) 전해질 기반 반전지를 이용해 공기 및 수소 분위기에서 전기화학 임피던스 특성을 분석했다.

그 결과, SmBa(Fe₀.₉Mn₀.₁)₂O₅₊δ 조성이 전 온도 영역에서 가장 낮은 면적비저항(ASR)을 나타냈으며, 공기와 수소 분위기 모두에서 균형 잡힌 전극 반응 특성을 보이는 것으로 확인됐다.

전기전도도 측정 결과, 공기 및 질소 분위기에서는 Mn 함량이 증가할수록 전도도가 감소하는 경향이 나타났는데, 이는 Fe–O–Fe 결합 대비 Mn 치환에 따른 궤도 중첩 감소와 정공 농도 변화에 기인하는 것으로 분석됐다. 반면, 수소 분위기에서는 **소량의 Mn 치환(X=0.1)**이 전기전도도 향상에 기여했으며, 초기 가열 과정 중 약 450℃ 부근에서 전도도가 급격히 감소하는 특이 현상이 관찰됐다.

X선 회절 분석을 통해 해당 온도 영역에서 환원 분위기에서만 입방정계에서 사방정계로의 구조 전이가 발생함을 확인했으며, 이 구조 변화가 전기전도도 급감과 직접적으로 연관된 핵심 요인임을 밝혀냈다. 이후 고온 영역에서는 전도도가 다시 증가했으며, 반복 열사이클 실험에서도 구조적·전기적 안정성이 유지되는 것으로 나타났다.

김정현 교수는 “이번 연구를 통해 층상 페로브스카이트 전극에서 Fe/Mn 치환 비율 조절이 전기화학 성능과 전기전도도, 구조 안정성에 미치는 영향을 체계적으로 규명했다”며 “특히 산화 및 환원 분위기 모두에서 작동 가능한 대칭형 고체산화물 연료전지 전극으로서, 소량의 Mn 치환이 산소 환원 반응과 수소 산화 반응에서 균형 잡힌 성능을 발현한다는 점이 핵심 성과”라고 밝혔다.

임유리 석사과정생은 “Fe/Mn 치환 비율에 따라 전기전도도와 전극 반응 특성이 뚜렷하게 달라지며, 특히 환원 분위기에서 발생하는 구조 전이와 전기전도도 변화의 연관성을 실험적으로 규명한 점이 의미 있는 결과”라며 “대칭형 고체산화물 연료전지 전극 조성 설계에 실질적으로 활용 가능한 분석 데이터를 제시했다”고 말했다.

이번 연구는 국립한밭대학교를 비롯해 영국 랭커스터대학교(Lancaster University), ㈜HnPower, 브루나이다루살람대학교(University Brunei Darussalam)가 공동 참여했으며, 과학기술정보통신부 ‘충청권 분산 에너지 대응 에너지기술공유대학’ 사업과 교육부·한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.