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□ 김정현 교수 마이크로사이트: https://lab.hanbat.ac.kr/energy

 

□ 국립한밭대학교(총장 오용준) 신소재공학과 김정현 교수 연구팀이 코발트가 치환된 층상 페로브스카이트 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 공기극에서 나타나는 코발트(Co) 표면 용출(Exsolution) 현상을 규명하고, 세리아 기반 이온전도체(Gd-doped ceria)와의 복합화를 통해 이를 효과적으로 제어함으로써 중․저온형 고체산화물 연료전지(IT-SOFC)의 공기극 저항을 획기적으로 조절하고 저감하는 신개념 기술을 제시했다.

 ○ 본 연구는 국립한밭대 응용소재공학과 홍유택 대학원생(現 ㈜미코파워)이 제1저자, 김정현 교수가 교신저자로 참여했으며, 연료전지 및 수소분야의 저명한 국제학술지 Journal of Power Sources 696권(2026)에 ‘Regulating Co-rich surface segregation in layered perovskite cathodes for low-resistance intermediate-temperature SOFC operation’이라는 제목으로 지난 16일 온라인 공개됐다.

□ 층상 페로브스카이트계 공기극은 우수한 이온․전자 혼합전도 특성으로 IT-SOFC용 소재로 주목받고 있으나, 코발트 치환 비율이 높은 조성일수록 고온에서 표면의 코발트 용출현상이 나타난다.

 ○ 이러한 코발트 용출은 전기화학 반응활성점을 늘려 성능에 기여할 수도 있지만, 과도하게 진행될 경우 입자 조대화(粗大化)와 계면 불안정을 유발해 장기적으로 전기화학적 성능을 저하시킬 수 있어, 그 발생 원인과 제어 방법을 규명하는 것이 중요한 과제로 남아 있었다. 

 ○ 연구팀은 이를 해결하기 위해 단일 공기극에 세리아계열 산화물을 복합화한 SBCF-CGO 시료를 적용하여 비교 분석한 결과, 600℃에서 코발트 용출 입자의 면적분율이 10.78%에서 3.22%로, 평균 입자 크기가 5.9nm에서 2.2nm로 크게 감소됨을 확인했다.

 ○ 또한, 장기 고온 노출을 통해 급격한 열화 없이 안정적인 저항 거동을 보였으며, 이는 복합화가 단순한 이온전도 경로 확장뿐 아니라, 비가역적인 코발트 용출 거동 자체를 조절하는 데에도 기여함을 보여주는 결과이다.

□ 이번 홍유택 연구원의 논문은 지난 11일 같은 저널(Journal of Power Sources 695권, 2026)에 실린 임유리 대학원생의 연구 ‘Enhanced electrochemical performance of non-stoichiometric SBSCO cathodes for IT-SOFC via Co nitrate impregnation’와 한 팀에서 연이어 발표한 자매 연구로, 두 논문 모두 김정현 교수가 교신저자이며 서로 공동저자(임유리)로 참여해 층상 페로브스카이트 공기극의 ‘코발트 표면 화학’이라는 공통 주제를 다뤘다.

 ○ 다만 두 연구는 코발트를 다루는 접근 방향이 서로 대조적이다. 임유리 대학원생의 선행 연구는 코발트가 상대적으로 부족한 SBSCO 공기극에 질산코발트 용액을 함침시켜 인위적으로 코발트 용출을 ‘유도’함으로써 반응활성점을 늘리고 계면 전하전달 저항을 낮춰 ASR을 약 2배 저감한 연구다.

 ○ 반면 이번 홍유택 연구원의 연구는 이미 코발트 함량이 높은 SBCF 조성에서 고온 구동 시 발생하는 과도한 코발트 용출 입자를 세리아 복합화로 ‘억제․조절’함으로써 입자 조대화에 따른 계면 불안정을 방지하고 저항을 낮추는 방식으로, 부족한 코발트를 채워 넣는 것이 아니라, 과잉 용출되는 코발트를 제어하는 전략을 취했다.

 ○ 두 연구를 종합하면, 국립한밭대 연구팀은 ‘코발트가 적으면 채우고(함침 유도), 코발트가 많으면 다스린다(용출 제어)’는 상호 보완적인 두 갈래의 전략으로 층상 페로브스카이트 공기극의 비가역적인 코발트 표면 상태를 정밀하게 설계할 수 있음을 연이어 실증한 것으로, 코발트 표면 화학이 IT-SOFC 공기극 성능을 좌우하는 핵심 변수임을 일관되게 보여준다.

□ 교신 저자인 김정현 신소재공학과 교수는 “이번 연구는 코발트가 풍부한 층상 페로브스카이트 공기극에서 나타나는 코발트 용출 현상을 정량적으로 규명하고, 세리아 복합화를 통해 이를 조절할 수 있음을 보여준 연구”라며, “앞서 발표한 코발트 함침 연구와 함께 살펴보면, 코발트 표면 화학을 필요에 따라 유도하거나 억제하는 두 가지 설계 전략을 모두 확보한 셈이며, 향후 고성능․고내구성 IT-SOFC 공기극 설계에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

 ○ 제1저자인 홍유택 연구원은 “TGA, DSC, XPS 분석을 통해 코발트 용출에 앞서 나타나는 전조 현상을 확인하고, 실시간 투과전자현미경(In-situ TEM)으로 실제 코발트 용출 입자의 형성과 성장 과정을 직접 관찰한 뒤, 세리아 복합화가 이 용출 거동 자체를 제어한다는 특성을 임피던스(Impedance) 분석으로 연결지어 확인한 것이 이번 연구의 핵심 성과이다”라고 밝혔다.

□ 한편, 이번 연구에는 국립한밭대를 비롯해 ㈜미코파워, 한국세라믹기술원, 고려대학교, 한국기계연구원, ㈜엑센, 스리랑카 스리 자예와르데네푸라대학교(University of Sri Jayewardenepura) 연구진이 공동으로 참여했다.

 ○ 또한, 본 연구는 기후에너지환경부의 ‘충청권 분산에너지 대응 에너지기술공유대학’, 과학기술정보통신부․한국연구재단이 지원하는 ‘청정수소원천기술밸류업사업’, 그리고 2026년도 교육부 및 대전광역시의 ‘지역성장 인재양성체계(앵커) 사업’의 지원을 받아 수행됐다.

 ○ 이는 먼저 게재된 임유리 대학원생 연구와 동일한 사업의 지원을 받은 것으로, 국립한밭대 신소재공학과 연료전지 연구팀의 연속적인 성과로 평가된다.

 

□ Professor Kim Jeong-hyun's research team from the Department of Materials Science and Engineering at Hanbat National University (President Oh Yong-jun) identified the cobalt (Co) surface exsolution phenomenon occurring in cobalt-substituted layered perovskite solid oxide fuel cell (SOFC) air electrodes and proposed a novel technology that dramatically adjusts and reduces the air electrode resistance of intermediate- and low-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC) by effectively controlling this through complexation with gd-doped ceria ion-conductors.

○ This research, with graduate student Hong Yutaek from the Department of Applied Materials Engineering at Hanbat National University (currently at Micropower Co., Ltd.) as the first author and Professor Kim Jeong-hyun as the corresponding author, was published online on the 16th in the prestigious international journal Journal of Power Sources (2026) under the title 'Regulating Co-rich surface segregation in layered perovskite cathodes for low-resistance intermediate-temperature SOFC operation.'

□ Layered perovskite air cells are gaining attention as materials for IT-SOFCs due to their excellent ion-electron hybrid conductivity, but higher cobalt substitution ratios cause cobalt leaching at elevated temperatures.

○ While this cobalt leaching can contribute to performance by increasing the electrochemical activation threshold, if it proceeds excessively, it can cause particle coarsening and interfacial instability, leading to a long-term decline in electrochemical performance; therefore, identifying its causes and control methods remains an important challenge.

○ To address this, the research team applied SBCF-CGO samples, a ceria-based oxide complex, to a single air electrode and found that the area fraction of cobalt leaching particles decreased from 10.78% to 3.22% and the average particle size dropped from 5.9 nm to 2.2 nm at 600°C.

○ Furthermore, long-term exposure to high temperatures demonstrated stable resistive behavior without rapid degradation, indicating that the composite not only expands the ionic conduction pathway but also contributes to the regulation of irreversible cobalt leaching behavior.

□ This paper by Researcher Hong Yutaek is a sister study published in the same journal (Journal of Power Sources, Vol. 695, 2026) as graduate student Lim Yuri's study 'Enhanced electrochemical performance of non-stoichiometric SBSCO cathodes for IT-SOFC via Co nitrate impregnation' on the 11th; both papers have Professor Kim Jeonghyun as the corresponding author, with Lim Yuri as co-author, addressing the common theme of 'cobalt surface chemistry' in layered perovskite air electrolysis.

○ However, the two studies take contrasting approaches to cobalt. Graduate student Lim Yu-ri’s prior research involved impregnating cobalt nitrate solution into SBSCO air jets, which are relatively deficient in cobalt, to artificially 'induce' cobalt leaching, thereby increasing the activation point and lowering the interfacial charge transfer resistance to reduce ASR by about two times.

○ In contrast, Researcher Hong's study adopted a strategy of controlling excessive cobalt leaching rather than simply filling in the cobalt deficit by suppressing and regulating excessive cobalt leaching particles during high-temperature operation in high-cobalt SBCF compositions through ceria complexation, thereby preventing interface instability caused by particle coarsening and reducing resistance.

○ In summary, the Hanbat National University research team has consecutively demonstrated that the irreversible surface state of layered perovskite air cells can be precisely engineered using two complementary strategies: 'filling up when cobalt is low (inducing diffusion)' and 'controlling it when cobalt is high (controlling leaching),' consistently showing that cobalt surface chemistry is a key factor determining the performance of IT-SOFC air cells.

□ Corresponding author Professor Kim Jeong-hyun of the Department of Materials Science and Engineering said, "This study quantitatively identified the cobalt leaching phenomenon in cobalt-rich layered perovskite air electrodes and demonstrated that it can be controlled through ceria complexation. Combined with our previously published cobalt impregnation research, we have secured two design strategies for inducing or suppressing cobalt surface chemistry as needed, and we expect these to be widely applied in the future to the design of high-performance, high-durability IT-SOFC air electrodes."

○ First author Researcher Hong Yutaek stated, "The key achievement of this study was confirming precursors that appear before cobalt leaching through TGA, DSC, and XPS analyses, directly observing the formation and growth of actual cobalt leaching particles using real-time transmission electron microscopy (In-situ TEM), and linking the characteristic that ceria complexation controls the leaching behavior itself to impedance analysis."

□ Meanwhile, this research was jointly conducted by researchers from Hanbat National University, Micropower Co., Ltd., the Korea Institute of Ceramic Engineering & Technology, Korea University, the Korea Institute of Machinery & Materials, Exen Co., Ltd., and the University of Sri Jayewardenepura, Sri Lanka.

○ This research was conducted with support from the Ministry of Climate, Energy and Environment’s 'Chungcheong Region Distributed Energy Response Energy Technology Shared University,' the 'Clean Hydrogen Source Technology Value-Up Project' supported by the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea, and the 2026 'Regional Growth Talent Development System (Anchor) Project' of the Ministry of Education and Daejeon Metropolitan City.

○ This work was supported by the same program as the previously published graduate student research by Lim Yu-ri and is regarded as a continuation of the achievements of the Fuel Cell Research Team in the Department of Materials Science and Engineering at Hanbat National University.