▲ 액체금속 기반 수화젤 전해질의 제조 및 소자 구조 모식도 / (그림 1, a). 액체금속 입자를 초음파 분산을 통해 형성하고, 이를 개시제로 활용하여 아크릴아마이드(AAm)와 아크릴산(AA)의 라디칼 중합을 유도하는 수화젤 제조 과정을 나타냄. 중합 과정에서 도입된 SMA는 소수성 결합을 형성하여 고분자 네트워크 내 물리적 가교 역할을 수행하고, LiCl 용액 침지를 통해 수소결합을 억제함으로써 항동결 특성을 부여함. (그림 1, b). 제조된 PSLM/LiCl 수화젤 전해질을 다공성 활성탄 전극 사이에 삽입하여 슈퍼커패시터를 구성한 모식도. 이 구조에서 PSLM/LiCl 수화젤 전해질은 내부의 연속적인 이온 전달 경로를 바탕으로 빠른 이온 이동을 가능하게 하며, 이에 따라 소자가 유연한 변형 조건에서도 안정적인 에너지 저장 성능을 나타낼 수 있음을 보여줌.(그림 및 설명=성균관대학교 박성준 교수)  © 특허뉴스

혹한에서도 얼지 않고, 고무처럼 늘어나면서도 강철급 내구성을 지닌 차세대 전해질이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 수화젤 전해질의 약점을 극복한 이번 기술은 웨어러블 전자기기와 유연 에너지 저장장치의 상용화를 앞당길 핵심 돌파구로 평가된다.

한국연구재단은 성균관대학교 박성준 교수 연구팀이 액체금속 입자를 활용해 초고신축·항동결 특성을 동시에 갖는 ‘수화젤 전해질’을 개발했다고 밝혔다.

전해질은 에너지 저장장치에서 전하를 이동시키는 핵심 요소지만, 기존 수화젤 전해질은 높은 수분 함량으로 인해 기계적 강도가 낮고 저온 환경에서 쉽게 얼어 성능이 저하되는 한계가 있었다. 특히 극한 환경에서 안정적으로 작동하는 차세대 에너지 저장 기술 개발에 큰 장애물로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘액체금속 개시제’ 기반의 새로운 중합 전략을 도입했다. 액체금속 입자가 고분자 형성의 출발점 역할을 하면서 별도의 열이나 자외선 없이도 균일한 고분자 네트워크를 형성할 수 있도록 설계한 것이다.

여기에 소수성 상호작용을 활용한 물리적 가교 구조를 적용해, 외부 충격이나 변형 시 결합이 끊어졌다가 다시 형성되는 ‘자가 복원형’ 구조를 구현했다. 이를 통해 해당 전해질은 최대 900% 이상의 파단신율을 기록하며, 극단적인 변형에서도 구조적 안정성을 유지했다.

저온 성능도 획기적으로 개선됐다. 연구팀은 염화리튬을 도입해 수화젤 내부 물 분자의 결합을 억제함으로써 동결점을 낮췄고, 그 결과 영하 20도 환경에서도 전도성과 유연성을 동시에 유지하는 데 성공했다.

이 전해질을 적용한 슈퍼커패시터는 45,000회 이상의 충·방전 이후에도 98%의 성능을 유지하며 장기 안정성까지 입증했다. 이는 실제 산업 환경에서도 활용 가능한 수준의 내구성을 확보했다는 의미다.

박성준 교수는 “액체금속을 활용한 새로운 수화젤 설계 전략을 제시한 것이 핵심 성과”라며 “웨어러블 전자기기와 차세대 유연 에너지 저장장치 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 Nano-Micro Letters에 3월 13일 게재됐다.

유연성과 안정성이라는 상반된 특성을 동시에 해결한 이번 성과는 ‘차세대 에너지 저장소자의 핵심 퍼즐’을 맞춘 기술로 평가된다. 극한 환경에서도 작동하는 에너지 시스템 구현이 현실에 한 발 더 다가왔다는 분석이다.

논문명은 Ultra‑Stretchable Anti‑Freezing Hydrogel Electrolytes Cross‑Linked by Liquid Metal Particle Initiators Toward Soft Energy Storage Devices이다.