(왼쪽부터)박범경 교수, 김수완 석사과정생, 정해인 석사과정생.(사진=부산대 제공)

부산대학교는 재료공학부 박범경 교수 연구팀이 고효율 연료전지 및 수전해로 응용되는 고체산화물 전지(SOC, Solid Oxide Cell)의 산업적 활용성을 극대화할 수 있는 새로운 단일공정 이중층 전해질 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

이 기술은 전해질 소재로 ‘이트리아(Y₂O₃) 안정화 지르코니아(YSZ)’와 ‘Sm(사마륨)이 도핑된 세리아(SDC)’를 적용한 이중층 구조를 사용해 고온 동시 소결 공정을 극적으로 단순화하고 전지 성능을 더욱 향상시킨다. 전해질(電解質)은 전기화학적 장치에서 이온을 이동시키는 매개체 역할을 하는 물질이다. 고체산화물 전지(SOC)에서는 주로 산소 이온을 전도해 연료전지나 전기분해 전지의 작동을 가능하게 한다.

고체산화물 전지(Solid Oxide Cell, SOC)는 전기화학적 장치를 통해 연료를 전기로 변환하거나 전기를 연료로 변환하는 전지로, 크게 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)와 고체산화물 전기분해전지(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)가 있다.

이들 고체산화물 연료전지 및 수전해(SOFC/SOEC)는 높은 에너지 변환 효율과 다양한 연료 사용 가능성으로 탄소중립 실현에 중요한 기술로 주목받고 있다. 특히 지르코니아(YSZ)와 세리아로 구성된 이중층 전해질은 고성능 연료극 지지형 전지를 개발하는 데 필수적인 핵심 부품이다. 그러나 이를 효과적으로 구현하기 위해서는 고온(1400℃)의 다단계 공정이 필요하며 최종 공소결 과정에서 전기적 절연 물질이 형성돼 전지 저항이 증가하는 문제가 있다.

또한 일반적으로 세리아의 열악한 소결성으로 인해 공정이 다단계이며 1250℃ 이상의 높은 공정 온도에서는 지르코니아(YSZ)와 세리아의 반응이 촉진돼 바람직하지 않은 절연 물질이 생긴다.

이에 박범경 교수 연구팀은 소결 특성이 우수한 Sm(사마륨)이 도핑된 세리아(SDC)를 설계·적용해 YSZ/SDC 이중층 전해질을 개발하고 테이프 캐스팅 산업 공정에 기반한 단일 1250℃ 공정을 통해 소결하는 기술을 구현했다. 이 공정은 기존의 다단계 공정을 단순화해 비용 절감과 생산성 향상에 기여하며 전지의 성능을 극대화할 수 있다.

특히 1250℃ 단일 공정은 기존 대비 에너지 비용을 크게 절감할 뿐만 아니라 지르코니아(YSZ)와 세리아의 반응성 억제 및 연료극 기공 구조 품질을 개선함으로써 전지 성능을 향상시키는 일석이조의 효과를 제공한다. 또한 개발된 전해질은 기존의 YSZ/GDC(가돌리늄이 도핑된 세리아) 조합 보다 향상된 계면 전도 특성을 나타낸다.

연구팀은 이번에 개발된 기술을 활용해 5×5㎠ 크기의 전지를 제작함으로써 해당 기술의 대면적화 가능성을 입증했을 뿐만 아니라 장기 안정성 또한 우수함을 증명했다. 이 기술이 적용된 전지는 약 2.15 W/㎠의 전력 밀도와 2.95 A/㎠의 증기 전해 전류 밀도를 달성할 수 있음을 확인했다.

부산대 재료공학부 박범경 교수는 “이번 연구 결과는 종래의 이중층 전해질 조성 및 공정 조건에 대한 중요한 전략적 방향을 제시하며 이를 통해 고체산화물 전지의 상업적 실행 가능성을 더욱 높일 수 있는 길을 열었다”고 말했다.

이번 논문은 부산대 재료공학부 박범경 교수가 교신저자, 김수완 석사과정생과 정해인 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며 한국전력공사 전력연구원 지원(사외공모 기초연구) 및 과학기술정보통신부 재원으로 과학기술사업화진흥원의 지원(학연협력플랫폼구축 시범사업)을 받아 수행됐다.

이 같은 연구 성과는 국제 학술지 'Journal of Materials Chemistry A' 9월 2일자에 게재됐다.