한국과학기술연구원(KIST)은 지호일 에너지소재연구센터 책임연구원 연구팀이 차세대 고효율 세라믹 전지인 프로톤 세라믹 전지의 전해질 소결 메커니즘을 규명했다고 20일 밝혔다.

재생에너지를 활용해 물에서 수소를 생산하는 수전해 기반의 그린 수소 생산기술 중 고온 수전해(SOEC) 기술은 효율과 생산속도가 우수하다는 장점이 있다. 

고온 수전해 기술 가운데 프로톤 세라믹 전지는 수소 이온을 물질 내에서 전달하는 프로톤 세라믹 전해질을 활용한 기술로 작동 온도를 기존 70도 이상에서 500도 이하로  낮출 수 있다.

이를 통해 시스템 크기와 가격을 낮추는 동시에 열화를 늦춰 장기구동 신뢰성을 높이는 것이 가능하다. 하지만 프로톤 세라믹 전해질은 전지 제조과정 중 상대적으로 낮은 온도에서 소결(녹는 점 이하로 가열됐을 때 밀착되는 것)되는 핵심 메커니즘이 구체적으로 밝혀지지 않아 상용화 단계로의 진입이 어려웠다.

연구팀은 프로톤 세라믹 전지의 전해질-전극 소결 과정에서 전극에 생성되는 중간상이 전해질의 치밀화에 영향을 준다는 사실에 주목했다. 다양한 모델실험을 실시한 결과 전극에서 생성되는 중간상으로부터 미량의 소결조제 소결체의 밀도를 향상시키거나 소결온도를 낮추기 위해 의도적으로 소량 첨가하는 기능성 물질이 기화돼 전해질로 공급됨으로써 전해질의 소결을 촉진한다는 사실을 최초로 규명했다.

기체상의 소결조제는 사례가 극히 드물고 기술적으로도 관찰이 어려워 그동안 프로톤 세라믹 전지에서 전해질의 치밀화가 기화된 소결조제 때문이라는 가설은 제안된 적이 없었다.

연구팀은 또 계산과학을 통해 기체상태의 소결조제를 검증하고 해당 반응이 전해질의 고유한 전기적 특성을 저해하지 않음을 확인했다. 이를 통해 프로톤 세라믹 전지의 핵심 제조공정 설계가 가능하다는 사실을 유추했다.

지호일 KIST 책임연구원은 “본 연구를 통해 프로톤 세라믹 전지의 핵심 제조공정개발에 한걸음 더 가까워졌다"며 "향후 대면적 고효율 프로톤 세라믹 전지의 제조공정 연구를 진행할 계획”이라고 말했다. 이어 "대면적화 기술이 성공적으로 개발되면 그린수소 생산은 물론 차세대 원자력기술과 연계한 핑크수소 생산도 가능해져 세라믹 전지의 상용화가 앞당겨질 것"이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 'ACS 에너지레터스' 온라인판에 지난달 21일 게재됐다.