[쿠키과학] "액체금속으로 차세대 배터리 만든다"… 성균관대, '강철 수화젤 전해질' 개발

액체금속 나노입자 개시제 활용
외부 에너지 없이 고분자 네트워크 형성
소수성 상호작용으로 기계적 강도, 초고신축성 동시 확보
영하 20℃서 이온 전도성·유연성 유지
4만 5000회 충방전 후 성능 98%

승인 2026-04-06 14:37:36

액체금속 기반 수화젤 전해질의 제조 및 소자 구조 모식도. (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, (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. 한국연구재단

성균관대 교수팀이 액체금속을 활용해 영하 20℃의 저온과 큰 변형에도 성능이 유지되는 차세대 전해질을 개발했다.

한국연구재단은 성균관대 박성준 교수팀이 액체금속 입자를 개시제(Initiator)로 활용해 초고신축·항동결 수화젤 전해질을 개발하고, 이를 통해 극한 환경에서도 안정적인 에너지 저장기기를 구현했다고 6일 밝혔다.

개시제는 액체 상태 원료들이 단단한 고분자로 변하도록 반응을 시작하는 물질이다.

최근 웨어러블 전자기기가 발달하면서 유연성과 안정성을 모두 갖춘 에너지 저장기술 수요가 늘고 있다.

전하의 통로 역할을 하는 전해질은 통로가 얼지 않고 고무줄처럼 잘 늘어나야 웨어러블 기기에 활용할 수 있다.

하지만 기존 수화젤 전해질은 물을 많이 포함해 유연성은 뛰어나지만, 젤리 형태여서 기계적 강도가 낮고 겨울 등 저온 환경에서 얼어버리는 한계가 있었다.

연구팀은 액체금속 입자를 개시제로 활용하는 새로운 중합 방식을 도입해 문제를 해결했다.

이는 별도의 열이나 자외선 없이 균일한 고분자 구조를 형성하면서도 소수성 상호작용을 이용해 고분자사슬 간 결합을 강화한다.

특히 이 구조는 외부에서 힘을 받으면 결합이 끊어졌다가 다시 이어지는 방식으로 충격을 흡수한다.

그 결과 연구팀이 개발한 수화젤은 원래 길이의 약 9배 이상 늘어나는 높은 신축성과 동시에 우수한 강도를 유지했다.

여기에 염화리튬을 첨가해 물 분자 간 결합을 억제함으로써 동결점을 낮추고, 영하 20℃에서도 전도성과 유연성을 유지하는 데 성공했다.

이 전해질을 적용한 슈퍼커패시터는 4만 5000회 이상의 충·방전 후에도 초기 성능의 98%를 유지하며 장기 안정성도 확보했다.

수화젤 전해질의 기계적 및 전기화학적 특성. (a)수화젤 시편의 실제 모습과 인장 시험 결과를 나타냄. 약 907%의 최대 신장률을 보임. (b)LiCl 농도(20, 30, 40, 50 wt.%)에 따른 응력–변형률 곡선을 나타냄. (c). LiCl 농도에 따른 영률(Young’s modulus)을 나타냄. (d)LiCl 농도에 따른 이온전도도(ionic conductivity)를 나타냄. (e~g)반복적인 인장–이완 과정에서의 응력–변형률 곡선과 히스테리시스 거동을 나타냄. 변형률에 따른 히스테리시스 에너지 변화를 함께 제시함. 한국연구재단

이번 성과는 유연성, 내구성, 저온 안정성을 동시에 확보한 전해질 설계 전략을 제시한 것으로, 극한 환경에서도 작동하는 차세대 에너지 저장소자 개발에 활용될 전망이다.

박 교수는 “액체금속이 전해질 형성 과정에서 핵심 역할을 하면서 기계적 특성과 저온 안정성을 동시에 확보했다”며 “웨어러블 전자기기와 유연 에너지 저장장치 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 지난 13일 국제학술지 ‘나노 마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’에 게재됐다.
(논문명: Ultra‑Stretchable Anti‑Freezing Hydrogel Electrolytes Cross‑Linked by Liquid Metal Particle Initiators Toward Soft Energy Storage Devices)