성균관대, 액체금속으로 빚은 ‘강철 수화젤 전해질’ 개발

- 저온에서도 성능 저하 없이 작동하는 차세대 에너지 저장소자 구현 

- 웨어러블 전자기기 및 차세대 유연 에너지 저장장치 개발에 활용 기대

액체금속 기반 수화젤 전해질의 제조 및 소자 구조 모식도. (자료제공: 한국연구재단)

영하 20도의 혹한과 9배 이상의 급격한 변형에도 성능 저하 없이 작동하는 전해질(이온 결합의 수용액 상태에서 전류가 흐르는 물질)이 개발됐다. 

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대학교 박성준 교수 연구팀이 액체금속 입자를 개시제(액체 상태의 원료들이 단단하거나 질긴 고체(고분자)로 변하도록 첫 단추를 끼워주는 물질)로 활용해 초고신축·항동결 수화젤 전해질(기존 액체 전해질(전기 통로)이나 고체 전해질과 달리 물을 가득 머금은 젤리 형태의 전해질)을 개발, 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 에너지 저장기기 구현 가능성을 제시했다고 4월 6일 밝혔다. 

최근 웨어러블 전자기기의 발전과 함께, 높은 유연성과 안정성을 동시에 갖는 에너지 저장 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 에너지 저장기기에서 전해질은 전하를 나르는 통로 역할을 하는데, 이 통로가 얼지 않고(항동결) 고무줄처럼 늘어나며(초고신축) 전기를 잘 전달(이온 전도성)해야만 차세대 에너지 저장소자를 구현해 낼 수 있다. 그러나 기존 수화젤 전해질은 높은 수분 함량으로 인해 기계적 강도가 낮고, 저온 환경에서 쉽게 동결되어 성능이 저하되는 한계가 있다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 액체금속 입자를 이용한 새로운 중합 전략을 제안했다. 수화젤 전해질을 사용하려면 외부 열이나 자외선과 같은 추가적인 에너지 공급이 필요하지만, 액체금속을 활용하면 별도의 장비나 에너지 없이도 균일한 고분자 네트워크를 형성할 수 있다.

여기에 소수성 상호작용(수용액 속에서 물과 수소결합을 하지 않는 소수성 물질들이 모여 소수성 효과를 일으키는 현상)을 도입해 고분자 사슬 간 물리적 가교를 형성, 외부 변형 시 가역적으로 결합이 끊어졌다가 재형성되는 메커니즘을 구현했다. 

이러한 구조를 통해 수화젤은 약 900% 이상의 파단신율(재료의 끈질긴 정도(연성)를 나타내는 핵심 지표. 재료가 끊어지기 직전까지 원래 길이에 비해 얼마나 늘어났는가를 백분율로 표시한 값)과 동시에 우수한 기계적 강도를 유지할 수 있음을 확인했다.

더불어 염화리튬을 도입해 물 분자 간 수소결합을 효과적으로 억제해 수화젤 내부의 동결점을 낮추는 전략을 적용했다. 그 결과 영하 20도 조건에서도 전도성과 유연성이 동시에 유지되는 항동결 특성을 구현하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 적용한 슈퍼커패시터는 45,000회 충·방전 이후에도 98%의 성능을 유지하는 등 우수한 안정성을 입증했다. 

박성준 교수는 “이번 연구는 액체금속을 활용한 새로운 수화젤 전해질 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 웨어러블 전자기기 및 차세대 유연 에너지 저장장치 개발에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’에 3월 13일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]