화학공학과 박성준 교수 연구팀, ‘영하 20도에서 9배 늘여도 멀쩡한 에너지 저장소재’ 개발
– 영하 20℃에서도 900% 신율 유지…극한환경 유연 에너지저장장치 구현 가능
-‘Nano-Micro Letters’ 게재…4만5000회 충방전 후에도 98% 성능 유지
▲ (왼쪽부터) 박성준 화학공학과 교수와 제1저자인 칭스 장 박사과정생
화학공학과 박성준 교수 연구팀이 액체금속 입자를 활용해 영하 20℃ 환경에서도 원래 길이의 9배까지 늘어나는 변형에도 성능 저하 없이 작동하는 초고신축·항동결 수화젤 전해질을 개발했다. 이번 성과는 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 에너지 저장장치 구현에 활용될 것으로 기대된다.
웨어러블 전자기기 발전으로 유연성·안정성을 동시에 구현한 에너지 저장 기술 수요가 늘고 있다. 전하를 나르는 통로인 전해질의 물성이 핵심이다. 수분 함량이 높은 기존 수화젤 기반 전해질은 기계적 강도가 낮고 저온에서 쉽게 동결돼 성능이 떨어진다.
연구팀은 액체 원료가 단단하고 질긴 고분자 고체로 변하도록 첫 단추를 끼워주는 ‘개시제’ 물질로 액체금속 입자를 활용했다. 액체금속 입자를 초음파로 분산한 뒤 원료인 아크릴아마이드와 아크릴산의 중합을 유도해 수화젤을 제조하는 원리다. 외부 열이나 자외선과 같은 추가적인 에너지 공급이 필요없다.
물과 잘 결합하지 않는 소수성 물질인 스티렌메타크릴레이트(SMA)를 첨가해 고분자 사슬 사이의 물리적 가교를 만들었다. 외부 힘으로 변형되면 결합이 끊어졌다가도 쉽게 재형성돼 신축성이 매우 높아지는 원리다. 재료가 끊어지기 직전까지 원래 길이보다 최대로 늘어난 값인 파단신율이 900%에 달했다.
수화젤을 염화리튬(LiCl) 용액에 침지하자 물 분자 사이의 수소결합을 억제하는 항동결 특성이 구현됐다. 영하 20℃에서도 전도성과 유연성을 동시에 유지할 수 있다. 개발된 전해질로 만든 에너지 저장장치는 4만5000회 충방전 후에도 98%의 성능을 유지했다.
▲ 액체금속 기반 수화젤 전해질의 제조 및 소자 구조 모식도
연구팀은 “실용화를 위해서는 장기간 사용 시의 안정성 검증과 대면적 공정에서의 재현성 확보가 필요하다”며 “다양한 전극 소재 및 실제 디바이스 환경과의 호환성을 추가적으로 평가해야 한다”고 설명했다.
박 교수는 “액체금속을 활용한 새로운 수화젤 전해질 설계 전략을 제시했다”며 “향후 웨어러블 전자기기 및 차세대 유연 에너지 저장장치 개발에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 연구결과는 3월 13일 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터스’에 공개됐다.
※ 논문명: Ultra-Stretchable Anti-Freezing Hydrogel Electrolytes Cross-Linked by Liquid Metal Particle Initiators Toward Soft Energy Storage Devices
※ 학술지: Nano-Micro Letters
※ 저자명: 교신저자 성균관대 박성준 부교수, 제1저자 성균관대 Qingshi Zhang 박사과정생