나노 스케일 이미징을 통한 고체 산화물 연료전지의 계면 열화 메커니즘 규명

Abstract

물 전기분해를 통한 수소 생산은 탄소 배출 없는 청정 에너지원으로 주목받고 있으며, 특히 고온 고체산화물 전기분해 전지(Solid oxide electrolysis cell, SOEC)는 높은 효율로 깨끗한 수소를 생산할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있습니다. 그러나 공기극 박리로 인한 성능 저하가 SOEC의 상용화를 가로막는 주요 문제로 작용하고 있습니다. 이와 같은 열화 현상의 근본적인 원인을 규명하기 위한 연구들이 진행되고 있으나, 계면의 복잡성으로 인해 명확한 원인 규명에 어려움이 있습니다. 본 연구에서는 YSZ 전해질과 La0.8Sr0.2MnO3(LSM) 전극으로 구성된 대칭 반쪽 전지를 사용하여, 전기분해 구동 중 공기극-전해질 계면에서 발생하는 구조적 열화를 체계적으로 분석하였습니다. 대칭 반쪽 전지는 700°C에서 1.5A/cm2 전류 밀도로 200시간 동안 구동되었으며, 미세구조 관찰은 TEM (Tecani F20, FEI) 장비의 PED 기술을 적용하여 Strain map과 orientation map을 통해 결정구조 및 결함의 변화를 시각화하였습니다. 이를 통해 전극 계면의 취약한 위치를 식별하였으며, DFT 계산을 통해 공기극-전해질 계면에서 발생하는 구조적 변형의 원인을 분석하였습니다. 결과적으로 전기분해 구동 중 전해질을 통해 이동하는 산소 이온의 국부적 축적이 이방성 격자 변형, 전위(dislocation) 및 아결정립(polygonization)의 생성, 나노 기공 형성 등을 유발하며, 이러한 현상이 전지 열화의 주요 원인임을 확인하였습니다. 작동 전류 밀도가 증가할수록 산소 이온이 더욱 축적되는 경향이 있지만, 경제적 관점에서 고전류 밀도의 구동이 바람직하므로, 향후 전해질 표면과 계면에서 산소 축적을 방지할 수 있는 방안 모색 연구가 필요합니다.