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도쿄공업대: 새로운 육각형 페로브스카이트 기반 고성능 산화물-이온전도체 개발 - 차세대 배터리 및 고체 산화물 연료 전지향 고체 전해질의 기초 기술

최근 청정에너지 및 고성능 기기에 대한 수요 증가에 따라 대체 에너지 재료의 개발이 요구되고 있다.

이런 맥락에서 산화물 이온 전도체는 결정 구조에 이동성이 높은 산화물 이온이 존재, 고유한 전자 특성이 나타나고, 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)에 잠재적으로 응용될 수 있으므로 많은 주목을 받고 있다. 구체적으로, 고효율 SOFC를 개발하기 위해서는 고전도성과 화학적, 전기적 안정성을 지닌 고체 산화물-이온 전도체가 필요하나, 기존 산화물 이온 전도체는 700 °C 미만의 저온에서 충분한 전도도를 나타내지 않아 중·저온(300~600 °C)에서 높은 이온 전도성을 갖는 산화물 이온전도체의 개발 그간 요구되었다.

최근 바륨(Ba), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 산화물로 구성된 육방정 계 페로브스카이트 유도체는 상대적 저온에서 높은 이온 전도도를 나 타내 이러한 개발 니즈에 어느 정도 부합하나 고전도성 구현에 필요 한 결정 구조의 틈새 공간(interstitial space)에 있는 산소량이 낮고, 전자 전도는 환원 분위기에서 이온 전도와 경쟁해 고이온전도를 방해해 실제 사용하기 어렵다.

최근 도쿄공업대(Tokyo Institute of Technology, Tokyo Tech), 코 준도 화학(Kojundo Chemical Laboratory) 및 호주 원자력 과학 기술 기구(Australian Nuclear Science and Technology Organization, ANSTO) 공동연구팀은 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 육 각형 페로브스카이트 산화물(Ba7Ta3.7Mo1.3O20.15) 기반의 안정적이 고, 높은 중·저온 이온전도성을 나타내는 산화물 이온 전도체를 개발, 보고했다.

연구를 주도한 Masatomo Yashima 교수는 “구조에 많은 수의 침입 형 산소를 도입, 중·저온에서 높은 이온전도성을 나타내도록 재료를 설계하였고, 이온 전도는 환원 분위기에서 지배적이었다.”고 주장했다.

연구팀은 합성된 산화물을 싱크로트론 X선 및 중성자 회절 데이터와

수치 계산을 이용해, 구조 분석을 했고, 구조에 탄탈륨(Ta)의 도입함으로써 다른 육각형 페로브스카이트 대 비 높은 안정성과 더 많은 격자 간 산소를 일으킬 수 있다는 것을 발견했다.

연구팀은 개발된 산화물 이온전도체를 기반, 이를 차세대 배터리 및 SOFC 향 고체 전해질로 이용, 고성 능 친환경 에너지 소자의 개발 및 상업화에 활용하고자 한다.

연구성과는 Wiley-VCH 출판그룹의 Small 온라인판에 게재되었다(Small 2021; 2106785 DOI:

10.1002/smll.202106785).

출처: 2021. 12. 21. Chemical & Engineering News (www.sciencedaily.com/releases/2021/12/211221212449.htm) 작성: 손 희 상 (광운대학교)

Figure. 육각형 페로브스카이트 관련 산화물 Ba₇Ta_3.7Mo_1.3O_20.15의 높은 산 화물 이온 전도도 및 양이온 사이트 선 호도 및 격자 간 산화물 이온 산화물 구조 High Oxide‐Ion Conductivity in a Hexagonal Perovskite‐Related Oxide Ba7Ta3.7Mo1.3O20.15 with Cation Site Preference and Interstitial Oxide Ions (Credit: Small)