나노기술 및 정책 정보

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● 한국에너지기술연구원의 이승복, 홍종은 박사 연구팀이 고체산화물 연료전지의 성능과 내구성은 유지하면서 기존 습식침투공정 대비 공정시간은 1/5 수준으로 단축시키는 공기극 제조기술을 개발

● 습식침투공정은 전해질이나 공기극 소재로 이뤄진 다공성 구조 표면에 나노 크기의 공기극 촉매 입자를 형성해 성능을 향상시킬 수 있고 분말 형태의 공기극 코팅보다 소재 사용량을 획기적으로 줄일 수 있지만, 원하는 촉매 담지량에 도달하기 위해서 습식침투건조고온 하소의 과정을 수 회 반복해야 하는 불편함이 존재

● 이에 연구팀은 요소를 침전제로 첨가한 침투용액을 이용해 반복적인 고온하소 열처리 공정이 생략된 초음파분무 습식침투기법을 개발

● 연구팀은 LSCF 상용 공기극 소재를 이루는 전구체 금속이온들과 요소를 용해시킨 침투용액을 초음파분무 공정으로 다공성 구조 표면에 고르게 분산

● 분산된 침투용액은 100℃에서 건조되면서 요소의 가수분해반응에 의해 암모니아와 이산화탄소를 발생시켜 용액 내 pH가 서서히 증가하고, 금속이온들은 이온교환반응을 통해 금속 수산화물이나 수산화탄산염과 같은 미세한 침전물을 형성해 다공성 구조 표면에 고르게 부착

● 표면에 부착된 침전물은 촉매입자의 전구체(precursor) 역할을 해 침투용액이 완전히 건조될 때까지 일정하게 유지되고 이후 원하는 촉매량을 담지할 때까지 습식침투와 건조만 반복한 후 최종 단계에서만 하소를 진행해 단일 결정구조를 갖는 LSCF 공기극을 형성

● 연구팀이 개발한 기술은 반복적인 하소 과정을 생략해 기존 습식침투공정 대비 공정시간을 80% 이상 단축할 수 있고, 비교적 낮은 하소온도를 적용해 나노 크기의 LSCF 입자들로 이뤄진 균일한 공기극 층을 형성할 수 있어 대면적화에 용이

● 연구팀은 25cm² 대면적의 다공성 GDC 전해질 층에 요소를 첨가한 LSCF 침투용액을 초음파분무로 5회 습식침투-건조시킨 후 900℃에서 하소해 균일한 조성과 나노입자로 이뤄진 LSCF 공기극 층(300nm)이 형성되었음을 확인

● 특히, 개발한 공기극을 적용한 단위전지는 700℃ 작동온도에서 0.8 W/cm² 이상의 출력밀도와 1,200시간 동안 안정한 성능을 보임.

※ Journal of Energy Chemistry 게재(2022.03.18.), “A dynamic infiltration technique to synthesize nanolayered cathodes for high performance and robust solid oxide fuel cells”