KAIST "세라믹 전지 제조공정 개선·고성능 확보"

초고온이 요구되는 '프로토닉 세라믹 전기화학전지(PCEC)'의 제조공정을 개선한 동시에 고성능을 확보할 새로운 제조공정이 개발됐다. PCEC는 전기와 수소를 동시에 생산할 수 있어 인공지능(AI) 시대 전력수요가 급증하는 최근 상황에서 차세대 에너지 기술로 주목받는다.

(윗줄 왼쪽부터) 기계공학과 이강택 교수, 기계공학과 강예진 박사과정, 기계공학과 김동연 박사, (아랫줄 왼쪽부터) 이민철 석사과정, 오세은 박사과정, 장승수 박사과정, 김형근 박사과정. KAIST 제공

KAIST는 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 기존보다 500도 이상 낮은 온도에서 고성능 PCEC를 제작할 수 있는 신공정을 개발했다고 4일 밝혔다.

새로운 공정에는 전자레인지 원리와 특정 화학 성분의 화학 증기(chemical vapor) 확산 환경을 응용한 '마이크로파+증기 제어 기술'이 적용됐다.

PCEC의 핵심 재료인 전해질에는 바륨(Ba)이 포함된다. 하지만 바륨은 1500도 이상 고온에서 쉽게 날아가 전지 성능을 떨어뜨리는 주범으로도 지목된다. 낮은 온도에서 세라믹 전해질을 단단하게 굳힐 수 있는 기술이 전지 성능을 좌우할 핵심이 되는 셈이다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 '증기 확산(Vapor Phase Diffusion)'이라는 새로운 열처리 방법을 고안했다. 이는 전지 옆에 특수 보조 소재(증기 발생원)를 배치하고 여기에 마이크로파를 조사해 증기가 빠르게 확산되도록 하는 기술이다.

이 기술을 적용하면 온도가 800도에 도달했을 때 보조 소재에서 나온 증기가 전해질 쪽으로 이동해 세라믹 입자를 단단하게 결합시킨다. 이 덕분에 PCEC를 완성하기 위한 제조공정 온도를 기존 1500도에서 980도로 낮출 수 있었다.

새로운 공정(600도)으로 제작한 1㎠ 크기의 전지는 2W의 전력을 안정적으로 생산했고, 시간당 205㎖의 수소를 생성했다. 무엇보다 500시간 연속 사용에서도 성능 저하 없이 안정성을 유지하는 우수성을 보였다.

연구팀은 디지털트윈으로 실제 실험에서는 관찰하기 어려운 전지 내부 미세 구조에서의 가스 이동 현상까지 분석해 기술 신뢰성도 높였다.

이 교수는 "이번 연구는 증기를 이용해 열처리 온도를 낮춘 동시에 고성능·고안정성 전지를 만든 세계 최초의 사례"라며 "새롭게 개발한 공정이 AI 시대의 전력 문제를 해소하고 수소 사회를 앞당길 핵심 제조기술로 자리매김하길 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 김동연 박사와 강예진 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 에너지·재료 분야 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈'에 게재, 지난 10월 29일자 표지 논문으로 선정됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr