페로브스카이트가 태양전지에서만 쓰인다는 편견은 버려! 연료전지 소재의 일등공신 페로브스카이트

페로브스카이트가 태양전지에서만 쓰인다는 편견은 버려! 연료전지 소재의 일등공신 페로브스카이트

 

15기 김민서

 

 검색창에 페로브스카이트를 치면 온통 태양전지와 관련된 글들이 주로 나와 태양전지에만 쓰이는 소재라고 생각할 수 있다. 그렇다면 페로브스카이트는 태양전지에서만 알아주는 소재일까? 아니다. 페로브스카이트는 자체적인 특성 덕분에 태양전지뿐 아니라 연료전지나 발광다이오드 등 여러 분야에서 빛을 발하고 있다. 지금부터 연료전지 분야에서 페로브스카이트가 어떤 역할을 하는지 알아보도록 하자.

 

연료전지의 구조와 원리

  연료전지는 전해질에 의해 분리된 양극과 음극으로 구성된다. 음극(Anode)으로 연료가 주입되면 산화가 일어나서 전자가 도선을 통해 방출된다. 양극(Cathode)에서는 음극에서 방출된 전자와 공기가 반응하여 산소가 환원된다. 전자는 음극에서 양극으로 흐르면서 외부부하에서 전기를 발생시킨다. 연료전지의 가장 큰 특징은 높은 에너지 전환효율이다. 왜냐하면 화학적 에너지를 열에너지 전환 없이 곧바로 전기에너지로 전환시키기 때문이다. 따라서 이것의 전환효율은 Carnot cycle 한계를 받지 않는다.

[그림 1.  연료전지 모식도]

 

연료전지의 구성요소와 조건

  Anode로 사용하기 위해서는 환원 분위기에서 화학적 및 형상학적으로 안정해야 한다. 즉, 상변화나 기계적 물성의 큰 변화가 없어야 하며, 온도차 및 열역학적으로 안정하고 실험 조건에서 장시간 물리 화학적으로 안정해야 한다. 또한 수소가 공급되는 환원 분위기에서 최소한 100 S/cm의 전기 전도성을 보여야 하며 작동 중 산소분압 변화에 따른 전기전도도 변화가 작아야 한다. 그리고 고체산화물 연료전지는 다층구조를 형성하기 때문에 제조 과정 및 측정 과정에서 열팽창 차이에 의해 구성요소 간의 균열 및 박리를 일으키지 않아야 한다. 또한 원활한 전기화학 반응이 되기 위해 삼상계면(Triple Phase Boundary)까지 연료공급이 원활하게 이루어지도록 다공성 구조를 보여야 하며, 기계적 강도 또한 확보하여야 한다. 마지막으로 비가역적 전압 손실에 따른 분극을 최소화하기 위하여 충분한 촉매활성도를 보여야 한다.

Cathode는 전기화학 반응을 통하여 산소를 환원하는 곳으로 높은 전자전도도, 산화분위기에서의 안정성 및 높은 산화환원반응 (Oxidation Reduction Reaction,ORR)이 요구된다. 이중 열팽창의 경우 온도변화에 따라 전해질과의 열팽창계수 차이에 의하여 박리 및 균열에 의해 성능이 감소할 수 있기 때문에 전해질과 비슷한 열팽창계수가 요구되며, 공기극의 성능은 주로 산소환원 속도 및 이동하는 속도에 의해 결정된다. 산화환원반응은 주로 삼상계면에서 발생하기 때문에 삼상계면까지 산소 이동을 용이하게 하려면 다공성 구조를 가져야 한다.

 

페로브스카이트(perovskite)

1839년 독일의 광물학자 로제(G. Rose)는 우랄산맥에서 화학식이 [CaTiO3]인 광물을 처음으로 발견하였는데, 이 광물의 이름을 러시아의 유명한 광물학자인 페로브스키(L. A. Perovski)의 이름을 빌어 페로브스카이트(perovskite)라고 명명하였다. 페로브스카이트는 [CaTiO3]와 같은 결정 구조를 갖는 물질을 총칭하는 용어로 일반식 ABX3로 표현되며, 여기서 A와 B는 크기가 매우 다른 양이온이고, X는 두 양이온에 결합하여 있는 음이온이다. 일반적으로 입방 구조(cubic structure)로 되어 있는 페로브스카이트는 육팔면체(cuboctahedral) 환경의 음이온과 12배위를 하는 A 양이온의 크기가 팔면체(octahedron) 환경의 음이온들로 둘러싸여 6배위를 하고 있는 B 양이온보다 크다. 환경에 따라 단위 세포(unit cell)가 뒤틀린 형태나 양이온의 배위수가 감소한 변형된 형태들도 알려져 있다.

[그림 2.  페로브스카이트의 단위 세포 모식도]

페로브스카이트의 특성과 연료전지

페로브스카이트는 구조적, 정전위적 특성상 매우 안정적인 물질이다. 따라서 상당한 양의 첨가물이 들어가도 안정적인 특성을 보여준다. 첨가물이 들어간 페로브스카이트계 산화물 중에는 고온에서 좋은 산소 또는 수소 이온 전도 특성을 보이는 경우가 있다. 따라서 첨가물의 종류와 양을 조절하여 원하는 연료전지 성능을 얻을 수 있다.

 

연료전지 분야에서 페로브스카이트에 대한 연구

중·저온형 고체산화물 공기극 물질 중에서 가장 대표적인 Cathode 물질은 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF)와 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ (BSCF)와 같은 complex perovskite의 구조를 보이는 산화물들이며, 이 물질들은 기존 Cathode 물질과 비교할 경우 우수한 전기화학적인 특성을 바탕으로 중·저온 고체산화물연료전지의 Cathode 물질로 사용되고 있다. 하지만 complex perovskite는 우수한 전기화학적인 특성을 보이지만 다양한 물질이 치환되는 경우에 발생하는 무질서에 의해서 쿨롱 포텐셜 뿐만 아니라, 탄성 포텐셜에 따른 변위가 공기극 격자에 작용하게 되어 산소 이온의 이동도를 감소시킬 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 imperial college의 John Kilner 연구팀은 AA‘B2O5+δ의 화학적 조성형태를 보이는 GdBaCo2O5+δ (GBCO)의 layered perovskite를 개발하여 중·저온형 고체산화물 연료전지의 Cathode 물질로 적용하였다. layered perovskite는 거대자기저항영역에서 주로 연구되었던 산화물들이었으며 특히 LnBaCo2O5+δ (Ln: Lanthanide)의 화학구조를 보이는 layered perovskite는 기본적으로 산화물 내부 격자에 비어있는 자리가 많아서 우수한 산소 이동도 및 surface kinetics의 특성을 보인다. 또한 특이하게 layered perovskite는 격자에 자리하고 있는 산소 함량에 의해서 다양한 Co 산화수 분포, 상태 및 Co 이온반경을 보이는 것으로 알려져 있다.

[그림 3.  LSCF(complex perovskite)]

[그림 4.  GBCO (b)tetragonal, (c)orthorhombic]

 

 

 이렇게 페로브스카이트에서 A site와 B site의 물질의 종류와 양을 조절하여 안정성과 성능을 조절할 수 있다. 많은 연구가 진행되는 만큼 더 높은 성능과 높은 안정성을 가진 연료전지 소재를 기대해볼 수 있을 것이다.

 

 2019년 1월, 수소경제활성화로드맵이 발표된 이후로 우리나라에서는 수소연료전지의 사용을 장려하고 있다. 올해 3월 26일, 서울시에서는 서울시 신재생에너지 생산량 산정 지침을 개정하여 발표하였다. 서울시가 새로 짓는 민간 중·대형 건물에 기존 방식보다 발전효율이 10% 이상 높은 차세대 수소연료전지(고체산화물형 연료전지, SOFC)가 도입될 수 있도록 설계기준 마련에 나서 수소연료전지 수요 및 판매시장의 형성과 수소경제 활성화에도 기여할 것으로 기대된다. 

 어떤 사람들은 연료전지는 수소로만 가동된다고 생각하기도 한다. 연료가 수소이다 보니 연료전지가 위험하다고 생각하는 사람들도 더러 있다. 하지만 연료전지는 수소뿐만 아니라 우리가 주로 사용하는 연료인 메탄이나 부탄도 연료로써 사용할 수 있어 지금 당장 상용화하기 좋은 신에너지 중 하나이다. 아직까지는 고온에서 작동되어야 하는 문제점이 있긴 하지만 이를 해결하기 위해 중/저온 연료전지 소재를 개발하는 연구진들이 고군분투하고 있는만큼 이 문제점은 빠르게 해소되리라 생각된다.  하지만 소재 개발만큼 어쩌면 그것보다 중요한 것은 사람들의 인식을 바꿔주는 것이 아닐지 생각해본다.

 

 

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참고문헌 

 

[1] 네이버 지식백과 - 연료전지

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5741525&cid=60217&categoryId=60217

[2] 네이버 지식백과 - 페로브스카이트

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827412&cid=62802&categoryId=62802

[3] 박은경, 메탄 연료에서 작동하는 고체산화물 연료전지의 연료극인 Sr0.92Y0.08Ti1-xNixO3-δ의 특성 평가, 2017.8

[4] 송선웅, 중·저온 고체산화물 연료전지 이중층 페로브스카이트 공기극 물질의 이종 희토류 원소의 A-site 치환을 통한 특성 연구, 2018.2

[5] 김정현, 중·저온형 고체산화물 연료전지 공기극 물질로 사용되는 이중층 페로브스카이트와 컴플렉스 페로브스카이트의 전기 전도도 비교, 2014.07

[6] 홍국선, 페로브스카이트형 전해질을 이용한 고체산화물연료전지의 진전, 2009.6.3

[7] 김창수, 서울시, 신축건물에 수소연료전지 도입 설계기준 마련, 투데이 에너지, 2019.3

http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=214063