10분 만에 완성되는 고체산화물 전해전지, 친환경 수소 생산 길 연다

• 기계공학과 이강택 교수팀 “마이크로파로 급속 가열해 치밀한 전해질 조성”

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 그린수소를 생산할 수 있는 고체산화물 전해전지를 단 10분 만에 제조하는 기술을 개발했다. 기존 수십 시간이 걸리던 공정을 획기적으로 단축한 이번 성과는 국제 학술지 어드벤스드 머티리얼스(Advanced Materials) 2일자 표지논문으로 게재됐다.

고체산화물 전해전지는 물이나 이산화탄소를 전기분해해 수소나 일산화탄소를 생산하는 전지로, 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않아 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 전해질을 치밀하게 만들기 위해 섭씨 1,400도 이상의 고온에서 수십 시간 동안 열처리를 해야 하고, 이 과정에서 재료가 서로 섞이거나 입자가 비정상적으로 커지며 성능이 저하되는 문제가 있었다.

연구팀은 마이크로파를 이용해 재료 내부를 동시에 가열하는 ‘체적가열(volumetric heating)’ 방식을 적용해 이러한 한계를 해결했다. 이 방법을 통해 단 10분 만에 1,200도로 올리면서도 균일한 전해질 형성을 구현했고, 세리아(CeO₂)와 지르코니아(ZrO₂)가 섞이지 않도록 온도를 정밀하게 제어했다. 그 결과, 전해질 층은 단단하고 치밀하게 유지됐으며 전극의 입자 성장도 억제됐다.

완성된 전지는 섭씨 750도에서 분당 23.7mL의 수소를 생산하며, 250시간 이상 안정적으로 작동했다. 빠른 제조 속도와 높은 내구성을 동시에 달성한 셈이다. 3차원 시뮬레이션 결과, 초고속 가열이 전해질의 치밀도를 높이고 입자 성장 억제에 기여하는 것으로 나타났다.

이강택 교수는 “고체산화물 전해전지를 신속하고 효율적으로 제조할 수 있는 새로운 제조 패러다임을 제시했다”며 “에너지 소비와 제조 비용을 크게 절감할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 기술은 수소 생산 장치의 상용화와 대량생산 가능성을 높이는 핵심 전환점으로 평가된다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr