한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 그린수소(이산화탄소 배출 없이 만들어내는 친환경 수소)를 생산할 수 있는 고체산화물 전해전지를 10분 만에 초고속으로 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

전극과 전해질이 모두 고체로 된 고체산화물 전해전지는 물이나 이산화탄소를 분해해 수소나 일산화탄소를 생산하는 전지로, 수소 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않아 친환경 에너지원으로 주목받고 있다.

다만 전해질을 치밀하게 만들기 위해 1천400도 이상 고온에서 수십시간 열처리하는 공정을 거쳐야 하는데, 이 과정에서 전해질 각 층 간 원치 않는 화학반응이 일어나고, 전극 내 입자가 지나치게 커져 성능과 내구성이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 마이크로파를 이용해 재료 내부를 균일하게 가열할 수 있는 '체적가열' 방식을 통해 기존 수십 시간 걸리던 열처리 과정을 획기적으로 단축하는 데 성공했다.

10분 만에 온도를 1천200도로 올리고 해당 온도에서 전해질의 안정적인 형성이 가능함을 입증했다.

기존에는 너무 높은 온도에서 세리아와 지르코니아 전해질이 섞이면서 품질이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 두 재료가 섞이지 않는 알맞은 온도에서 단단하게 붙도록 조절해 치밀한 전해질 층을 만드는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 전지는 750도에서 분당 23.7mL의 수소를 생산하고, 250시간 이상 안정적으로 작동하는 등 우수한 내구성을 보였다.

3차원 가상 시뮬레이션을 통해 초고속 가열하는 공정이 전해질의 치밀도를 높이고 전극 내 입자가 비정상적으로 커지지 않도록 조절한다는 사실도 확인했다.

이강택 교수는 "고성능 고체산화물 전해전지를 신속하고 효율적으로 제조할 수 있는 새로운 제조 패러다임을 제시했다"며 "기존 공정 대비 에너지 소비와 시간 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드벤스드 머티리얼스'(Advanced Materials) 지난 2일 자 표지논문으로 실렸다.