첫날 성능이 가장 좋은 양극이 가장 오래 가는 양극은 아니다

양극에 촉매를 올리는 방법은 둘입니다. 촉매를 분말로 만들어 아이오노머 바인더와 함께 잉크로 개어 기재에 코팅하는 방법, 그리고 기재 위에서 촉매를 직접 키우는 방법입니다. 뒤쪽에는 바인더도 접합면도 없습니다.

코팅이 더 흔하고, 갓 조립한 셀에서는 대개 더 좋게 나옵니다. 분쇄한 분말은 비표면적이 넓고, 잉크 배합을 손보면 초기 전류밀도를 더 끌어올릴 수 있습니다. 조립 직후 두 양극을 비교하면 코팅 쪽이 이깁니다.

이 노트는 그 다음이 어떻게 되는지를 다룹니다.

표면이 넓어도 기재에 붙어 있지 않으면 셀에 기여하지 못합니다.

1. 무엇이 촉매를 떼어내는가

양극 표면에서는 산소가 계속 생기고, 버블로 자라 떨어져 나갑니다. 전해액도 운전하는 동안 쉬지 않고 그 표면을 지나갑니다. 둘 다 기재에 얹힌 촉매를 물리적으로 잡아당깁니다.

코팅층에서 입자를 잡아 두는 것은 아이오노머나 바인더입니다. 이 바인더가 입자를 붙들면서 동시에 수산화 이온까지 실어 나릅니다. 한 재료에 두 역할을 맡긴 구조입니다. 버블과 흐름이 계속되면 입자가 헐거워지다 떨어져 나갑니다. 붙어 있는 입자도 기재로 가는 전기 경로가 끊기면 활성이 아무리 좋아도 전류를 만들지 못합니다.

양산으로 넘어가면 문제가 하나 더 붙습니다. 수 mm 두께의 다공성 기재는 속까지 고르게 코팅되지 않습니다. 촉매가 바깥쪽에 몰리는데, 힘을 가장 많이 받는 자리가 바로 거기입니다.

직접 성장시킨 층은 이 경로로 무너지지 않습니다. 활성화 과정에서 금속 위에 촉매가 자라 그 금속과 그대로 이어집니다. 물러질 바인더도, 벗겨질 접합면도 없습니다. 같은 힘이 걸려도 떼어낼 것이 없습니다.

2. 공개된 내구 데이터의 분포

여기까지는 기전 설명입니다. 아래는 다른 연구실들이 실제로 보고한 숫자입니다.

이 그림에서 세 가지를 보시면 됩니다.

첫째, 보고된 IrO₂ 양극 런은 2,000시간 아래에 몰려 있습니다. 4,968시간과 8,875시간에 도달한 것은 백금족을 전혀 쓰지 않은 니켈-철과 구리-코발트 산화물 양극입니다. 알칼리에서 셀을 오래 가게 만드는 것은 이리듐이 아닙니다.

둘째, 시간만 보면 안 됩니다. 8,875시간 기록은 0.6 A/cm²에서 2.89 V로 끝났습니다. 사실상 못 쓰게 된 셀입니다. 오래 돌았다는 말은 끝난 전압과 열화 속도를 함께 봐야 뜻이 있습니다.

셋째, 이 그림은 통제된 비교가 아닙니다. 점마다 연구실도 막도 전해액도 온도도 다릅니다. 분포를 보여주는 그림입니다. 저희도 같은 셀에서 코팅 양극과 직접성장 양극을 나란히 장기 운전한 데이터는 갖고 있지 않습니다. 그래서 맞비교라고 쓰지 않았습니다.

덧붙이면, 이 그림이 나눈 기준은 이리듐을 쓰는지 아닌지입니다. 앞 절에서 다룬 코팅과 직접성장은 형태의 차이입니다. IrO₂ 양극은 입자형이면서 이리듐이라 두 축이 겹쳐 있습니다. 이걸 갈라내려면 같은 셀에서 같은 NiFe를 한쪽은 코팅으로, 다른 쪽은 직접 성장으로 만들어 나란히 장기 운전해야 합니다.

3. 저희 실측

위 그림의 별표 두 개가 저희 데이터입니다. 둘 다 직접 성장시킨 니켈-철 양극으로 정전류 운전한 결과입니다.

이 6,358시간은 양극만의 성적이 아닙니다. 같은 쇼트스택 시험에서 막을 바꾸면 1,234시간이었습니다. 다섯 배 차이입니다. 내구 수치는 부품 하나에 붙는 값이 아니라 셀 전체에 붙는 값입니다.

시간과 함께 열화 속도를 적는 이유는, 운전 시간이 달라도 비교할 수 있는 값이 속도이기 때문입니다. 위 두 수치는 모두 전 구간에 선형 피팅했습니다. 일부러 보수적으로 잡았습니다. 초기 구간만 맞추면 값이 커지고, 후반 구간만 떼어 쓰면 실제보다 좋아 보입니다.

전극을 고르실 때 확인할 것

• 조립 직후의 분극 곡선은 표면적과 잉크 품질을 보여줍니다. 촉매가 기재에 어떻게 붙어 있는지는 나오지 않습니다. 1,000시간을 넘긴 뒤의 성능을 정하는 것은 그 접착 상태입니다.
• 촉매를 어떻게 붙였는지 물어보십시오. 바인더로 코팅한 것인지, 기재에서 키운 것인지. 둘 다 상용 제품에 쓰입니다. 다만 무너지는 방식이 다르고, 바인더가 그 경로에 끼어 있는 쪽은 하나뿐입니다.
• 수치를 받으실 때 조건을 같이 받으십시오. 전해액 농도, 온도, 전류밀도, 막, 셀 면적, 피팅 구간입니다. 이것이 빠진 열화율은 어디에도 비교할 수 없습니다.
• 시간과 열화율은 한 쌍으로 보십시오. 8,000시간을 돌고 2.9 V로 끝난 셀이 6,000시간을 돌고 1.98 V로 끝난 셀보다 낫다고 할 수 없습니다.

끝난 전압, 열화 속도, 그 속도를 어느 구간에서 뽑았는지. 이 세 가지를 물어보십시오.

저희 양극은 활성화 과정에서 니켈 폼 위에 직접 성장시킨 니켈-철입니다. 바인더도 백금족 금속도 들어가지 않습니다. 첫 측정값이 아니라 내구성과 원가를 보고 고른 구조이고, 그만큼 내주는 것도 있습니다. 갓 조립한 셀에서는 잘 만든 IrO₂ 양극이 같은 전압에서 더 높은 전류를 냅니다. 이건 저희가 먼저 밝히는 편이 낫다고 봤습니다.