The solid oxide fuel cell is an eco-friendly energy conversion device with high efficiency that can replace fossil fuel combustion. In order for the solid oxide fuel cell to be widely used, it is essential to lower the driving temperature below 800 °C. However, at such low temperatures, the sluggish reaction rate of the cathode causes a large energy loss. Therefore, it is very important to develop a highly active cathode at low temperatures.
La$_{0.6}$Sr$_{0.4}$Co$_{0.2}$Fe$_{0.8}$O$_{3-δ}$ (LSCF) is one of the solid oxide fuel cell (SOFC) cathode materials widely used in industrial area because of its high electrical conductivity and catalytic activity as well as its adequate thermal expansion coefficient and ease of synthesis. However, the rate of oxygen reduction reaction at low temperatures is relatively slow and undesired side reactions such as Sr segregation occur during long-term operation, which limits the industrial use of LSCF electrodes. Therefore, improving catalytic activity and durability of LSCF at lower operating temperatures (<800 °C) can be a shortcut to accelerate the commercialization of SOFCs. In this regard, to address these issues simultaneously, we combining two general techniques: infiltration and atomic layer deposition (ALD) to fabricated highly active and robust LSCF-based cathode. Ag nanocatalyst, which is known to have excellent catalytic activity for oxygen reduction reaction, are decorated on the surface of porous LSCF electrode via wet infiltration, and then covered with a thin oxide layer of ZrO$_2$ via ALD. The analyses of SEM, TEM, XPS and electrochemical impedance spectroscopy reveal that ZrO$_2$ layer prevents the agglomeration of the Ag nanocatalysts and suppressed Sr segregation, significantly improving the LSCF electrode performance and durability, showing a low area-specific resistance of only 0.085 Ωcm$^2$ at 650 °C over 200 hours.
고체산화물연료전지는 공해없이 전기를 생산해 낼 수 있는 고효율 친환경 에너지 변환 장치이다. 고체 산화물 연료 전지가 널리 상용화되기 위해서는 작동온도를 800도 이하로 낮추는 것이 필수적이다. 그러나 이러한 비교적 낮은 온도에서는 공기극의 느린 반응 속도로 인해 큰 에너지 손실이 발생한다. 따라서 본 논문에서는 중저온영역대 (500-800도)에서의 공기극의 성능을 개선하고자 하였으며 전극 소재 선정에 있어서 실제 상용물질로 사용되고 있는 우수한 물질인 La$_{0.6}$Sr$_{0.4}$Co$_{0.2}$Fe$_{0.8}$O$_{3-δ} (LSCF)를 선택하였다. 이를 달성하기 위해 두 가지 주요 목표에 대한 연구가 수행되었다. 첫 번째는 촉매나노입자(nanocatalyst)를 침투법(infiltration)을 통해 전극 표면에 도입하여 중저온영역대에서의 반응성을 향상시키고자 하였다. 이때 여러 변수를 제어하여 분산도가 높고 미세한 촉매나노입자가 형성되도록 하였다. 두 번째로는 원자층증착법(atmoic layer deposition)을 통해 증착 된 얇은 산화물 층으로 전극 표면을 코팅함으로써 촉매 나노입자 및 LSCF의 안정성을 동시에 향상시키고자 하였다. 침투법에서는 용매의 종류, 용액의 pH 및 농도를 조절하여 침투성, 이온들의 흡착, 핵생성 및 성장 거동 등을 제어하였고, 그 결과 다공성 LSCF 전극에 미세하고 잘 분산된 은(Ag) 촉매나노입자를 도입하였다. 이후 이 전극의 안정성을 높이기 위하여 원자층증착법 공정을 진행하였다. 증착된 지르코니아(ZrO$_2$) 층은 은 촉매나노입자의 열적 뭉침현상을 막아줄 뿐 아니라, 지지체 전극인 LSCF의 Sr 양이온 편석(Sr segregation) 현상 역시 막아주었다. 이렇게 제작된 LSCF/은 촉매나노입자/지르코니아 복합체 전극은 다양한 문헌들에 보고되어있는 전극 저항과 비교했을 때 가장 뛰어난 성능을 보였으며, 이를 650도에서 200 시간 동안 유지하였다. 이러한 연구는 단순하고 범용적인 기술인 침투법 및 원자층증착법을 통하여 실제 산업에서 사용되는 상용물질인 LSCF의 중저온 활성 및 내구성을 크게 개선한 것으로 고체산화물연료전지의 상용화를 가속화하는데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
