서울대 한정우 교수 공동연구팀, AI로 차세대 수소전지 공기극 설계 원리 규명

- 이온·전자전도도 균형 갖춘 복합 공기극 개발…연료전지 성능 2.6배·수전해 성능 4.4배 향상

- 재생에너지 저장·활용의 핵심 기술로 주목

- 인공지능 기반 다중스케일 시뮬레이션으로 2,860개 계면 구조 탐색·원자 수준 성능 향상 원리 규명

- 국제학술지 Nature Energy 게재 및 표지논문 선정

▲ Nature Energy 7월호 표지

재생에너지로 생산한 전기가 남을 때 수소로 저장하고, 필요할 때 다시 전기로 전환하는 가역형 고체산화전지(Reversible Solid Oxide Cell, RSOC)의 성능을 높일 새로운 공기극 설계 원리가 제시됐다.

서울대학교 공과대학 재료공학부 한정우 교수 연구팀은 세종대학교 박준영 교수 연구팀, 전남대학교 송선주 교수 연구팀, 미국 콜로라도 광업대학(Colorado School of Mines) 라이언 오헤어(Ryan O'Hayre) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 이온전도도와 전자전도도의 균형을 갖춘 복합 공기극을 개발하고 성능 향상 원리를 규명했다고 밝혔다.

재생에너지의 가장 큰 고민은 남는 전기를 어떻게 저장할 것인가이다. 바람이 강하게 부는 날 풍력발전소는 전기를 쏟아내지만, 소비할 곳이 없으면 그냥 버려진다. 가역형 고체산화전지는 바로 이 문제를 해결하는 기술로, 하나의 장치에서 수소 생산과 발전을 모두 구현할 수 있어 재생에너지 저장·활용의 핵심 기술로 주목받고 있다. 연구팀은 이온과 전자가 균형 있게 이동하는 새로운 소재를 적용해 기존 공기극의 근본적인 한계를 개선할 새로운 설계 원리를 제시하고 세계 최고 수준의 연료전지·수전해 성능을 달성했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 『Nature Energy』에 게재됐으며, 7월호 표지논문으로 선정됐다.

가역형 고체산화전지의 성능은 공기극(air electrode)에서 산소 이온 교환 반응이 얼마나 효율적으로 일어나느냐에 따라 크게 좌우된다. 그러나 공기극의 산소 반응 속도는 전지 성능 향상의 핵심 병목으로 작용해 왔다. 지금까지 40여 년간 업계 표준으로 사용된 공기극은 산소 이온과 전자를 함께 전달하는 혼합 전도체(MIEC)와 산소 이온만 전달하는 보조 전도체(GDC)를 함께 사용하는 구조였다. 이때 산소 이온 교환 반응은 두 소재가 만나는 좁은 경계선인 삼상 경계(triple-phase boundary, TPB) 근방에 집중된다.

문제는 GDC가 산소 이온 전달 능력에 비해 전자 전달 능력이 약 1,000배 낮다는 점이다. 마치 8차선 도로 옆에 1차선 골목길이 연결된 것처럼 전자 이동이 병목을 일으켜 산소 반응이 두 소재가 만나는 좁은 경계에서만 일어났다. 이 때문에 전극 전체를 충분히 활용하지 못하는 것이 기존 공기극의 근본적인 한계로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 GDC 대신 이온과 전자의 이동 능력이 균형을 이루는 프로톤 전도체 'BCZYYb7111'을 새로운 공기극 소재로 적용했다. 이를 스트론튬을 포함하지 않는 비스무트 층상 구조의 혼합 전도체 'GCCCO'와 결합해 새로운 복합 공기극을 구현했다.

▲ 그림 1. GCCCO-GDC, GCCCO-LSCF, GCCCO-BCZYYb 복합 공기극 계면의 전하종 분포 개념도.

(왼쪽) GCCCO-GDC 계면에서는 산소 공공영역만 형성되며, (가운데) GCCCO-LSCF 계면에서는 정공영역만 형성된다. (오른쪽) GCCCO-BCZYYb 계면에서는 산소 공공과 정공이 동시에 형성되어 확산형 전기 이중층을 구성하며, 이온·전자 전도도의 균형이 우수한 산소 이온 교환 특성의 핵심임을 보여준다.

그 결과 연료전지 모드에서는 최대 출력밀도 7.08 W·cm⁻², 수전해 모드에서는 1.3V에서 7.88 A·cm⁻²를 기록해 현재까지 보고된 RSOC 공기극 가운데 세계 최고 수준의 성능을 달성했다. 기존 LSCF-GDC 공기극과 비교하면 연료전지 성능은 2.6배, 수전해 성능은 4.4배 향상됐다.

연구팀은 또한 이번 설계 전략이 GCCCO뿐 아니라 LSCF, PBSCF, LSC, BSCF 등 다양한 공기극 소재에도 적용 가능함을 확인했다. 모든 소재에서 기존 GDC를 BCZYYb7111으로 대체했을 때 연료전지 성능은 38~129%, 수전해 성능은 50~104% 향상됐으며, 200시간 이상의 장기 구동, 급격한 열 사이클 및 공기 차단 조건에서도 우수한 안정성을 유지했다.

▲ 그림 2. 인공지능 기반 다중스케일 가역형 고체산화전지 시뮬레이션 개요.

(왼쪽) 머신러닝 원자간 퍼텐셜을 활용한 2,860개 계면 구조의 대규모 모델링 및 열역학적 안정성 평가, (가운데) 산소 공공 형성 에너지 분포 및 산소 이온 확산 거동 규명, (오른쪽) DFT 기반 계면 내 에너지 밴드 분석 및 계면 내장전위를 통한 전하 전달 분석.

연구팀은 이처럼 성능이 향상된 원인을 밝히기 위해 인공지능 기반 머신러닝 원자간 퍼텐셜(MLIP)과 분자동역학(MD), 밀도범함수이론(DFT)을 결합한 다중스케일 시뮬레이션 프레임워크를 구축하고 총 2,860개의 계면 구조를 분석했다.

분석 결과 새로운 복합 공기극에서는 산소 공공이 쉽게 형성되고, 산소 이온이 더 빠르게 이동하며, 계면에서 이온과 전자의 이동을 촉진하는 강한 내장전위가 형성되는 것으로 나타났다. 연구팀은 이 세 가지 요인이 복합적으로 작용해 산소 이온 교환 반응을 크게 촉진한다는 사실을 원자 수준에서 정량적으로 규명했다.

이번 연구는 단순히 새로운 소재를 개발한 것이 아니라, 가역형 고체산화전지의 공기극 설계 기준 자체를 새롭게 제시했다는 점에서 의미가 있다. 이 설계 원리가 실제 전지에 적용되면 같은 전력으로 더 많은 수소를 생산할 수 있어 그린수소 생산 비용을 낮추고, 연료전지 발전 효율도 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한 수소 충전소와 연료전지 발전소, 선박용 연료전지 등 다양한 산업 분야에 적용돼 재생에너지의 간헐성을 해결하고 탄소 배출 없는 수소 에너지 순환 경제 구축에도 기여할 것으로 전망된다.

▲(왼쪽부터) 이원준 서울대학교 재료공학부 박사과정생, 문진욱 서울대학교 재료공학부 석박통합과정생, 송선주 교수 (전남대학교 신소재공학부 / 교신저자), 박준영 교수 (세종대학교 나노신소재공학과 / 교신저자), 한정우 교수 (서울대학교 재료공학부 / 교신저자)

한정우 교수는 "복합 공기극 계면은 결정 방향, 원자 배열 등 변수가 복잡하게 얽혀 있어 기존 제일원리 계산만으로는 대규모 탐색이 사실상 불가능했다"며, "인공지능 기반 멀티스케일 시뮬레이션을 통해 2,860개의 계면 구조를 체계적으로 탐색함으로써 복합 공기극 계면이 RSOC 성능 향상의 원자 수준 메커니즘을 처음으로 정량적으로 규명할 수 있었다"고 말했다. 이어 "이번 연구는 '이온전도도와 전자전도도가 균형을 이루어야 한다'는 새로운 RSOC 공기극 설계 기준을 제시했다는 점에서, 향후 소재 선정과 전지 설계의 출발점이 될 것"이라고 덧붙였다.

공동 제1저자인 이원준 서울대학교 재료공학부 박사과정생은 "인공지능 기반 시뮬레이션이 실험만으로는 탐색하기 어려운 수천 개의 계면 구조를 단시간에 분석할 수 있다는 가능성을 확인했다"며 "앞으로는 이 프레임워크를 더욱 고도화해 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)와 가역형 프로톤 세라믹 전지(RPCEC) 등 차세대 전지 시스템으로 연구를 확장할 계획"이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

[참고 자료]

- 논문명/저널: Composite air electrodes based on BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3−δ for reversible solid oxide cells, Nature Energy

- DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-026-02042-5

[문의]

서울대학교 재료공학부 한정우 교수 / 02-880-1610 / jwhan98@snu.ac.kr