KAIST, 제작온도 500℃ 낮추고 전력 생산 2배 높인 차세대 세라믹 전지 기술 개발

‘마이크로파+증기 확산 공정’ 세계 최초 구현…AI·수소 시대 핵심 에너지 기술로 부상

KAIST 연구팀이 프로토닉 세라믹 전기화학전지(PCEC)의 제작 온도를 기존 대비 500℃ 이상 낮추고 전력 생산 능력을 두 배 향상시키는 혁신적 제조 기술을 개발했다. PCEC는 전기와 수소를 동시에 생산할 수 있는 차세대 에너지 전지로 주목받아 왔으나, 제작 과정에서 1500℃ 이상의 초고온 공정이 필요해 상용화의 가장 큰 걸림돌로 지적돼 왔다. KAIST 기계공학과 이강택 교수 연구팀은 마이크로파 조사와 특수 화학 증기 확산을 결합한 새로운 열처리 기술을 구축해 약 980℃의 저온에서도 고밀도 세라믹 전해질 제조가 가능한 신공정을 구현했다. 이 기술은 바륨(Ba) 증발로 인한 전해질 손상을 근본적으로 줄이며 고성능 전지를 생산할 수 있는 세계 최초의 접근법이다.

새로운 공정으로 제작된 전지는 600℃에서 1cm² 크기 전지가 2W의 전력을 생산하며 기존 대비 1.5~2배의 성능을 보여 주었다. 같은 온도에서 시간당 약 205mL의 수소를 생성해 업계 최고 수준의 생산성을 기록했으며, 500시간 연속 사용 실험에서도 성능 저하가 관찰되지 않았다. 제작 온도는 낮추고 성능과 수명은 동시에 향상된 결과로, 연구팀은 이를 “저온 제조·고성능 구동·장기 안정성을 모두 충족한 첫 사례”라고 설명했다. 특히 디지털 트윈 기반 미세 구조 분석을 통해 전지 내부 가스 이동 경로와 삼상경계(TPB) 밀도 증가, 기공 연결성 향상 등 성능 향상의 구조적 원인도 규명했다.

프로토닉 세라믹 전지의 핵심 재료인 BZCY, BZCYYb 등은 고온에서 바륨이 쉽게 증발해 조성 불안정과 전기전도도 저하를 유발해 왔다. 기존에는 이를 해결하기 위해 소결 보조제가 활용되었지만 오히려 전도성을 떨어뜨리는 문제가 있었다. KAIST 연구팀이 도입한 증기 확산 기반 공정은 마이크로파에 의해 빠르게 생성되는 화학 증기가 전해질 입자 사이를 단단하게 결합시키는 방식으로 작동하며, 고온 소결 없이도 높은 상대밀도(98% 이상)를 확보할 수 있게 해준다. 이는 재료와 공정의 두 문제를 동시에 해결한 접근으로 평가된다.

이강택 교수는 이번 성과가 “AI 시대의 폭발적 전력 수요와 수소 사회로의 전환을 동시에 준비할 수 있는 핵심 제조 기술”이라고 강조했다. 전력을 생산하면서도 필요 시 전해조로 전환해 수소를 생산할 수 있는 PCEC의 특성은 미래 에너지 시스템의 유연성을 높이는 요소로 평가된다. 연구 결과는 세계적 재료·에너지 분야 학술지 Advanced Materials에 게재되었으며, 표지(Inside front cover) 논문으로 선정돼 기술적 중요성을 인정받았다. 본 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 H2 Next Round 사업의 지원을 받아 수행되었다.

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