[투데이에너지 유정근 기자] 그린수소를 생산하는 차세대 고효율 세라믹 전지인 프로톤 세라믹 전지의 전해질 소결 메커니즘이 규명돼 상용화가 앞당겨질 전망이다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 지호일 에너지소재연구센터 박사, 이종호 박사, 강형묵 박사 연구팀이 그동안 명확히 밝혀지지 않았던 차세대 고효율 세라믹 전지인 프로톤 세라믹 전지의 전해질 소결 메커니즘을 규명해 상용화 가능성을 높였다고 20일 밝혔다.
수소경제를 최종적으로 구현하기 위해서는 생산과정에서 많은 양의 이산화탄소를 발생시키는 그레이수소가 아닌 그린수소 생산기술이 반드시 필요하다.
재생에너지를 활용해 물에서 수소를 생산하는 수전해 기반의 그린 수소 생산기술은 오염물질을 발생시키지 않기 때문에 최근 주목을 받고 있으며 특히 고온 수전해(solid oxide electrolysis cell: SOEC) 기술은 효율과 생산속도가 우수하다는 장점을 갖고 있다.
고온 수전해 기술 가운데 프로톤 세라믹 전지는 수소 이온을 물질 내에서 전달하는 프로톤 세라믹 전해질을 활용한 기술로 작동 온도를 기존 700℃ 이상에서 500℃ 이하로 낮출 수 있어 시스템 크기와 가격을 낮추는 동시에 열화를 늦춰 장기구동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술이다. 하지만 프로톤 세라믹 전해질이 전지 제조과정 중 상대적으로 낮은 온도에서 소결되는 핵심 메커니즘이 구체적으로 밝혀지지 않아 상용화 단계로의 진입이 어려웠다.
연구진은 프로톤 세라믹 전지의 전해질-전극 소결 과정에서 전극에 생성되는 중간상이 전해질의 치밀화에 영향을 준다는 사실에 착안해 다양한 모델실험을 설계하고 수행했다. 그 결과 전극에서 생성되는 중간상으로부터 미량의 소결조제 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. 연구진은 계산과학을 통해 기체상태의 소결조제를 검증하고, 해당 반응이 전해질의 고유한 전기적 특성을 저해하지 않음을 확인했다. 그 결과 프로톤 세라믹 전지의 핵심 제조공정 설계가 가능할 것으로 기대된다.
지호일 KIST 박사는 “이번 연구를 통해 프로톤 세라믹 전지의 핵심 제조공정개발에 한걸음 더 가까워졌고 향후 대면적 고효율 프로톤 세라믹 전지의 제조공정 연구를 진행할 계획”이라며 “대면적화 기술이 성공적으로 개발되면 재생에너지와 연계한 그린수소 생산은 물론 차세대 원자력기술과 연계한 핑크수소 생산도 가능해 세라믹 전지의 상용화를 앞당겨 수소경제 구현을 앞당기게 될 것”이라고 밝혔다.