KAIST 기계공학과 이강택 교수팀이 고체산화물 전해전지(SOEC)를 단 10분 만에 완성하는 데 성공했다.
SOEC는 물을 전기분해해 이산화탄소를 배출하지 않는 그린수소를 생산하는 핵심이다.
그러나 기존 방식은 세라믹 분말을 1400℃ 이상 고온에서 36시간 이상 구워야 하는 소결공정 때문에 대량생산과 상용화가 어려웠다.
소결과정은 가스가 새지 않고 산소이온이 손실 없이 이동하며, 전극과 전해질이 단단히 밀착돼 전류 흐름을 원활히 하는 역할을 한다.
연구팀은 마이크로파를 활용한 체적가열기술을 적용했다.
마이크로파는 소재 내부까지 침투해 균일하게 가열하기 때문에 외부에서 안쪽으로 열이 서서히 전달되는 기존 대류 방식보다 훨씬 빠르고 정밀한 소결이 가능하다.
이를 통해 기존 36시간 이상 걸리던 제조시간을 70분으로 줄이고, 소결 온도도 1200℃로 낮추는 데 성공했다.
SOEC의 성능을 좌우하는 핵심은 전해질층이다.
연구팀은 필수 재료인 세리아(CeO₂)와 지르코니아(ZrO₂)가 고온에서 섞여 품질이 저하되는 문제를 해결하고 최적 온도에서 소결이 진행되도록 조절해 흠집 없이 치밀한 전해질층을 구현했다.
그 결과 전극과 전해질이 단단히 결합해 전류가 안정적으로 흐르고, 수소와 산소가 섞이지 않아 폭발 위험도 줄였다.
연구팀이 제작한 전지는 750℃에서 분당 23.7㎖의 수소를 생산하면서 250시간 이상 안정적으로 작동했다.
특히 초기 수 시간 내 급격한 열화가 나타나던 기존 공정과 달리 성능 저하 없이 안정적으로 구동했다.
실제 3차원 디지털트윈 분석 결과 마이크로파 기반 소결은 전해질의 치밀도를 높여 전극과의 반응 면적을 확대하고, 연료극 내 산화니켈 입자가 비정상적으로 커지는 현상을 억제해 효율을 크게 높였다.
고온에서 구동하는 SOEC는 장기적 내구성과 성능 유지가 최대 과제다.
기존 소결공정은 재료 간 부반응, 입자성장, 구조열화 문제가 빈번해 전지 성능 저하로 이어졌다.
이번 연구는 공정 자체를 혁신적으로 단축·정밀화해 이런 문제를 근본적으로 억제, 저비용 대량생산, 그린수소 생산단가 절감, 차세대 SOEC 설계 최적화로 이어질 것으로 기대된다.
이 교수는 “기존 제조 단계에서 발생하던 부반응과 구조 열화를 근본적으로 억제할 수 있어 고성능과 장기 안정성을 동시에 확보했다”며 “에너지 소비 절감 효과가 커 대면적 SOEC의 저비용 대량생산에 유리하고, 궁극적으로 그린수소 생산단가 인하로 이어질 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 기계공학과 유형민·장승수 박사과정이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난 2일 국제학술지 ‘어드벤스드 머티리얼스(Advanced Materials)(IF: 26.8)’ 표지논문에 선정됐다.
(논문명: Ultra-Fast Microwave-Assisted Volumetric Heating Engineered Defect-Free Ceria/Zirconia Bilayer Electrolytes for Solid Oxide Electrochemical Cells, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202500183)
