[ 한국미디어뉴스 이원영 기자 ] 인천대학교 신소재공학과 명재하 교수-한국과학기술연구원 (KIST) 윤성필 박사팀은 단일 전극 소재가 운전 환경에 따라 서로 다른 촉매로 스스로 재구성되는 ‘자가 조립형 대칭 전극’ 기술을 개발하고, 이를 적용해 고성능 가역 용융탄산염 전지(Molten Carbonate Cell, MCC) 구현에 성공하였다. 이번 성과는 기존 상용 전극의 성능 한계와 복잡한 제조 공정을 동시에 해결하며, 관련 기술 분야에 새로운 전환점을 제시했다.
용융탄산염 전지는 약 650°C의 중고온에서 작동하는 차세대 전기화학 시스템으로, 화학에너지로부터 전력을 생산하는 발전 모드와 전기 에너지를 활용해 연료를 생산하는 전해 모드를 자유롭게 오갈 수 있는 가역 운전이 가능하다. 고온 폐열을 활용한 복합 운전이 가능해 시스템 효율이 높고 천연가스∙바이오가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있는 유연성을 갖는다.
특히 용융탄산염 전지는 탄소 포집과 활용을 동시에 수행할 수 있다는 점에서 독보적인 차별성을 지닌다. 산업 공정이나 발전소에서 발생하는 배기가스를 공기극에 주입함으로써 이산화탄소를 효과적으로 포집할 수 있으며, 전해 모드에서는 물과 CO2를 동시에 전환하여 수소 및 합성가스를 생산할 수 있다. 이는 탄소 배출 저감을 넘어 탄소를 고부가가치 자원으로 재순환하는 탄소중립형 에너지 사회 실현을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.
그러나 기존 니켈 기반 상용 전극은 공기극 반응 속도가 느리고, 장기 운전 시 니켈이 전해질로 용해되는 문제가 있어 효율과 내구성 측면에서 한계를 보여왔다. 이를 개선하기 위해 산화물 코팅이 필요했으나, 대면적 제조와 재현성 확보가 어려워 상용화에 제약이 있었다.
연구팀은 상용 니켈 전극을 란타넘 (La) 코팅 용액에 담갔다 빼는 간단한 ‘단일 원소 딥 코팅 (Single-element dip-coating)’ 공정을 도입해 제조 공정의 복잡성을 크게 낮췄으며, 805cm2대면적 전극에서도 균일한 코팅 특성과 높은 재현성을 확보해 스택 적용 가능성을 입증했다. 아울러 공기극과 연료극에 동일한 전극 소재를 적용하는 대칭 구조를 채택함으로써 부품 수를 줄이고 셀 조립 공정을 획기적으로 단순화하였다.
전지 시동을 위한 열처리 및 운전 과정에서 란타넘이 코팅된 전극은 각 전극 환경에 따라 스스로 구조를 재구성하는 ‘운전 중 자가 조립 (Operando self-assembly)’ 현상을 나타냈다. 그 결과, 공기극 환경에서는 LaNiO3촉매가 형성되고, 연료극 환경에서는 Ni 나노입자가 용출된 La2O3 촉매가 형성되어 각각의 전극반응을 효과적으로 촉진하였다.
본 기술을 통해 전극 저항을 기존 대비 약 60% 감소시켰으며, 전해 모드에서 90.3% 의 높은 에너지 효율을 달성하였다. 또한 200시간 이상의 가혹한 가역 운전 조건에서도 안정적인 전압을 유지해 우수한 내구성을 입증하였다.
특히 귀금속을 사용하지 않고도 성능 향상과 공정 단순화를 동시에 달성함으로써 경제성과 산업적 확장성을 높였으며, 이에 따라 본 기술은 탄소 중립 및 지속가능한 미래 에너지 사회 실현을 앞당길 핵심 기반 기술로 기대된다.
본 연구는 인천대 명재하 교수팀의 원보람 박사과정생 (제1저자), 김예은 석사과정생 (제2저자)과 KIST 윤성필 박사팀의 김갑인 박사 (제3저자)의 협업으로 진행되었다. 산업통상자원부 및 과학기술정보통신부 재원으로 한국에너지기술평가원 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행했으며, 촉매 및 에너지 분야 국제 저명 학술지 (Applied Catalysis B: Environment and Energy, IF=21.1 JCR 0.99%)에 2월 온라인 게재되었다.
