KIST 연구진, 그린수소 생산하는 '세라믹 수전해 전지' 상용화 앞당겨

기체상의 물질이 프로톤 세라믹 전해질의 치밀화를 일으키는 원리 규명

한국과학기술연구원(KIST·키스트) 50주년 기념 조형물. 2020.06.08 ⓒ News1

(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 국내 연구진이 물을 분해해 수소를 만들 수 있는 '프로톤 세라믹 전지'의 핵심 제조 과정을 규명했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지소재연구센터의 지호일 박사, 이종호 박사, 강형묵 박사 연구팀이 차세대 고효율 세라믹 전지인 '프로톤 세라믹 전지'의 상용화 가능성을 높였다고 20일 밝혔다.

재생에너지를 사용해 물에서 수소를 생산하는 수전해 그린수소 생산 기술은 탄소 중립 실현을 위한 수단 중 하나로 주목 받고 있다.

수전해 기술 가운데 프로톤 세라믹 전지는 수소 이온을 물질 내에서 전달하는 '프로톤 세라믹 전해질'을 활용한다. 이 기술은 전지 시스템 크기와 가격을 낮추는 동시에 장기 구동도 비교적 용이한 기술이다.

문제는 프로톤 세라믹 전해질 전지 제조과정의 핵심 메커니즘이 구체적으로 밝혀지지 않아 상용화 진척이 더딘 것.

구체적으로 전해질 부분의 물질이 치밀해지는 '소결 현상'이 규명되지 않아 전지 제조공정 설계가 어려웠다.

소결 현상을 유도하기 위해 첨가하는 '소결조제'가 균일하게 섞이지 않거나, 전해질에 남아있을 경우 전해질의 성능이 충분히 나오기 어렵다.

연구진은 프로톤 세라믹 전지의 전해질-전극 소결 과정에서 전극에 생성되는 중간상태의 물질이 전해질의 치밀화에 영향을 준다는 사실에 착안했다.

실험 결과 전극에서 생성되는 중간상태 물질로부터 미량의 소결조제가 기체화되어 전해질로 공급된다는 것이 규명됐다.

기체상태의 소결조제는 사례가 극히 드물고 기술적으로도 관찰이 어렵다. 연구진은 계산과학을 통해 기체상태의 소결조제를 검증하고, 해당 반응이 전해질의 전기적 성능을 저해하지 않음을 확인했다.

이번 연구 성과로 프로톤 세라믹 전지의 핵심 제조공정 설계가 가능할 것으로 기대된다.

지호일 KIST 박사는 "본 연구를 통해 프로톤 세라믹 전지의 핵심 제조공정개발에 한걸음 더 가까워졌다. 향후 대면적 고효율 프로톤 세라믹 전지의 제조공정 연구를 진행할 계획"이라며 "대면적화 기술이 성공적으로 개발되면 재생에너지와 연계한 그린수소 생산은 물론 차세대 원자력기술과 연계한 수소 생산도 가능해 세라믹 전지의 상용화를 앞당길 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 신재생에너지기술개발사업, 산업통상자원부 지원으로 한국에너지기술평가원 신재생에너지기술개발사업을 통해 수행됐다.

안혁순 박사가 제 1저자로 참여한 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '미국화학회 에너지 회람'(ACS Energy Letters) 최신 호에 게재됐다.

seungjun241@news1.kr