부산대, SOC 이중층 전해질 공정기술 개발

박범경 재료공학부 교수팀, 기존 다단계 공정 단일공정 전환 성공
비용 절감, 성능 향상, 장기 안정성 확보

박범경 교수팀(왼쪽부터 박 교수, 김수완 정해인 석사과정생)

부산대(총장 최재원) 박범경 재료공학부 교수팀이 고체산화물전지(SOC)의 산업적 활용성을 극대화할 수 있는 새로운 단일공정 이중층 전해질 제조 기술을 개발했다.

'지르코니아(YSZ)'와 사마륨(Sm)을 도핑한 '세리아(SDC)'를 이중층 전해질로 설계 적용해 고온 동시 소결 공정을 단순화하고 전지 성능을 높일 수 있는 기술이다.

SOC는 전기화학적 장치로 연료를 전기로 또는 전기를 연료로 변환하는 전지다. 고체산화물 연료전지(SOFC), 고체산화물 전기분해전지(SOEC) 등이 있고, 높은 에너지 변환 효율과 다양한 연료 사용 가능성으로 주목받고 있다.

전해질은 전지에서 이온 이동을 매개하는 물질로 SOC에서는 주로 산소 이온을 전도한다.

1250℃ 공소결 단일공정으로 형성된 연료극 지지형 전지와 YSZ-SDC 이중층 전해질 특성

지르코니아와 세리아로 구성된 이중층 전해질은 고성능 SOC 구현의 핵심 소재다.

하지만 이 이중층 전해질을 만들려면 고온(1400℃) 다단계 공정이 필요하고, 최종 공소결(Co-sintering) 과정에서 절연 물질이 형성돼 전지 저항이 증가하는 문제를 안고 있었다.

박 교수팀은 소결 특성이 우수한 사마륨 도핑 세리아를 적용, 1250℃ 단일 공정에서 소결까지 완료한 지르코니아·세리아 이중층 전해질 개발로 이 문제를 해결했다. 전지 성능 향상은 물론 기존 다단계 공정을 단일화해 비용 절감과 생산성 향상에 기여할 수 있다.

박 교수팀은 개발 기술을 활용해 5×5㎠ 크기 전지를 직접 제작해 대면적화 가능성도 입증했다.

박범경 교수는 “기존 이중층 전해질 조성 및 공정 조건 개선에 중요한 전략적 방향을 제시했다. 고체산화물 전지의 상업적 실행 가능성을 더욱 높일 수 있는 길을 열었다”고 말했다.

부산=임동식 기자 dslim@etnews.com