한밭대학교

사진설명: (왼쪽부터 시계방향으로) 국립한밭대학교 대학원 응용소재공학과 임유리 대학원생, 랭커스터대학교 Harald Schlegl 박사, 브루나이다루살람대학교 Abul Kalam Azad 교수,

㈜HnPower 강인용 대표, 국립한밭대학교 전기공학과 최원석 교수, 신소재공학과 김정현 교수

신소재공학과 김정현 교수 연구팀, 대칭형 고체산화물 연료전지용 공기극의 조성-성능 상관관계 규명

□ 우리 대학 신소재공학과 김정현 교수 연구팀이 대칭형 고체산화물 연료전지(Symmetrical Solid Oxide Fuel Cell, SSOFC)에 적용 가능한 코발트 프리(Co-free) 층상 페로브스카이트 전극 소재를 대상으로, 망간(Mn) 치환 비율에 따른 전기화학적 성능, 전기전도도 및 구조 안정성 변화를 체계적으로 분석하여 상관관계를 규명한 연구결과를 발표했다.

 ○ 고체산화물 연료전지는 공기극과 연료극에 서로 다른 소재를 적용해야 하는 한계가 있으며, 이를 개선하기 위해 하나의 전극 소재로 산화․환원 분위기에서 모두 작동하는 대칭형 고체산화물 연료전지(SSOFC)를 제안했다.

 ○ 이번 연구는 임유리 석사과정생이 제1저자로 참여했으며, 재료과학 분야 국제 저명 학술지인 ‘Ceramics International’ 온라인에 ‘Electrochemical properties of layered perovskite for the electrode of symmetrical solid oxide fuel cells’라는 제목으로 지난 30일 게재됐다.

 ○ 연구팀은 SmBa(Fe1-xMnx)2O5+d(X=0, 0.1, 0.3, 0.5) 조성의 층상 페로브스카이트 산화물을 합성하고, LSGM(LaGaO3 신소재) 전해질 기반 반전지를 이용해 공기 및 수소 분위기에서 전기화학 임피던스 특성을 분석했다.

 ○ 그 결과, SmBa(Fe0.9Mn0.1)2O5+d 조성이 전 온도 영역에서 비교 조성 대비 낮은 면적비저항(ASR)을 나타내며, 공기와 수소 분위기 모두에서 상대적으로 균형 잡힌 전극 반응 특성을 보였다.

 ○ 또한, 전기전도도 측정 결과, 공기 및 질소 분위기에서는 Mn 함량 증가에 따라 전도도가 감소하는 경향이 관찰됐으며, 이는 Fe–O–Fe 결합 대비 Mn 치환에 따른 궤도 중첩 감소 및 정공 농도 변화와 연관됨을 확인했다.

 ○ 반면, 수소 분위기에서는 소량의 Mn 치환(X=0.1)이 전기전도도 향상에 기여함을 확인했으며, 초기 가열 과정 중 약 450℃ 부근에서 전도도 급감 현상이 관찰됐다.

 ○ X선 회절 분석을 통해 해당 온도 영역에서 환원 분위기에서만 발생하는 입방정계(cubic)에서 사방정계(orthorhombic)로의 구조 전이가 확인됐으며, 이는 전도도 변화와 직접적으로 연계된 구조적 요인임을 밝혔다.

 ○ 이후 고온 영역에서는 전도도가 다시 증가하며, 반복 열사이클 실험에서도 구조 및 전기적 특성이 안정적으로 유지됨을 확인했다.

□ 신소재공학과 김정현 교수는 “이번 연구를 통해 층상 페로브스카이트 전극에서 Fe/Mn 치환 비율 조절이 전기화학 성능과 전기전도도, 구조 안정성에 미치는 영향을 체계적으로 규명할 수 있었다”며, “특히 산화 및 환원 분위기 모두에서 작동 가능한 대칭형 고체산화물 연료전지 전극으로서, 소량의 Mn 치환이 산소 환원 반응과 수소 산화 반응에 대해 균형 잡힌 성능을 발현함을 확인한 점이 이번 연구의 핵심 성과이다”라고 강조했다.

 ○ 또, 제1저자인 임유리 석사과정생은 “Fe/Mn 치환 비율에 따라 전기전도도와 전극 반응 특성이 뚜렷하게 변화하며, 특히 환원 분위기에서 발생하는 구조 전이와 전기전도도 변화의 연관성을 실험적으로 규명한 것이 중요한 결과로, 이를 통해 대칭형 고체산화물 연료전지 전극 조성 설계에 활용 가능한 분석 결과를 제시했다”고 밝혔다.

□ 본 연구는 국립한밭대학교와 랭커스터대학교(Lancaster University), ㈜HnPower, 브루나이다루살람대학교(University Brunei Darussalam)가 공동으로 참여했으며, 과학기술정보통신부 ‘충청권 분산 에너지 대응 에너지기술공유대학(No. RS-2024-00394769)’ 및 교육부와 한국연구재단의 기초연구사업(No. RS-2024-00464727)의 지원으로 수행됐다.

Professor Kim Jung-hyun’s Research Team (Dept. of Advanced Materials Engineering) Identifies Composition-Performance Correlation in Cathodes for Symmetric Solid Oxide Fuel Cells (SSOFCs)

  Photo Caption: (Clockwise from top left) Lim Yu-ri (Graduate Student, Dept. of Applied Materials Engineering, Hanbat National University), Dr. Harald Schlegl (Lancaster University), Prof. Abul Kalam Azad (University of Brunei Darussalam), Kang In-yong (CEO of HnPower), Prof. Choi Won-seok (Dept. of Electrical Engineering, Hanbat National University), and Prof. Kim Jung-hyun (Dept. of Advanced Materials Engineering, Hanbat National University)

□ A research team led by Professor Kim Jeong-hyun from the Department of Advanced Materials Engineering announced the results of a study that systematically analyzed and identified the correlation between manganese (Mn) substitution ratios and the electrochemical performance, electrical conductivity, and structural stability of Cobalt-free (Co-free) layered perovskite electrode materials applicable to Symmetrical Solid Oxide Fuel Cells (SSOFCs).

 ○ While conventional Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) have limitations in that different materials must be used for the cathode and anode, the research team proposed Symmetrical Solid Oxide Fuel Cells (SSOFCs) that can operate in both oxidizing and reducing atmospheres with a single electrode material.

 ○ Master’s student Lim Yu-ri participated as the lead author of this study. The research was published online on the 30th in Ceramics International, a prestigious international journal in the field of materials science, under the title "Electrochemical properties of layered perovskite for the electrode of symmetrical solid oxide fuel cells."

 ○ The research team synthesized layered perovskite oxides with compositions of SmBa(Fe1-xMnx)2O5+d(X=0, 0.1, 0.3, 0.5) and analyzed their electrochemical impedance characteristics in both air and hydrogen atmospheres using an LSGM (LaGaO3-based material) electrolyte-based half-cell.

 ○ Consequently, the SmBa(Fe0.9Mn0.1)2O5+d composition exhibited a lower area-specific resistance (ASR) compared to the reference compositions across the entire temperature range, demonstrating relatively balanced electrode reaction characteristics in both air and hydrogen atmospheres."

 ○ Furthermore, electrical conductivity measurements revealed that conductivity tended to decrease with increasing Mn content in both air and nitrogen atmospheres. This trend was confirmed to be associated with a reduction in orbital overlap and changes in hole concentration resulting from Mn substitution compared to the Fe–O–Fe bonds.

 ○ In contrast, it was confirmed that a small amount of Mn substitution (X=0.1) contributed to an enhancement in electrical conductivity under a hydrogen atmosphere. Furthermore, an abrupt decrease in conductivity was observed at approximately 450°C during the initial heating process.

 ○ X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed a structural transition from cubic to orthorhombic occurring exclusively under a reducing atmosphere within that temperature range. This reveals that the structural transformation is a key factor directly linked to the observed changes in conductivity

 ○ Subsequently, the electrical conductivity increased again in the high-temperature region. It was also confirmed that both the structural and electrical properties remained stable during repeated thermal cycling experiments.

□ Professor Kim Jung-hyun from the Department of Advanced Materials Engineering emphasized, "Through this study, we were able to systematically identify the effects of adjusting the Fe/Mn substitution ratio on the electrochemical performance, electrical conductivity, and structural stability of layered perovskite electrodes." He further noted, "The core achievement of this research is confirming that a minor Mn substitution enables balanced performance for both oxygen reduction and hydrogen oxidation reactions, making it a viable symmetrical SOFC electrode capable of operating in both oxidizing and reducing atmospheres."

 ○ First author Lim Yuri, a master’s student, stated, “The electrical conductivity and electrode reaction characteristics exhibited distinct changes depending on the Fe/Mn substitution ratio. A significant result of this study is the experimental elucidation of the correlation between structural transitions and conductivity changes occurring specifically in a reducing atmosphere.” She added, “These analytical results provide valuable design guidelines for optimizing electrode compositions in symmetrical solid oxide fuel cells (S-SOFCs).”

□ This work was a collaborative effort involving Hanbat National University, Lancaster University, HnPower Co., Ltd., and the University of Brunei Darussalam. The research was supported by the Ministry of Science and ICT (MSIT) under the 'Chungcheong Region Distributed Energy Response Energy Technology Sharing University' program (No. RS-2024-00394769), and the Basic Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (No. RS-2024-00464727).

[Press Release Translation: Student Press Corps Global Team]