특허 개요
본 특허는 물을 사용하는 이차전지에서 물의 분해를 줄이기 위한 쌍성이온 고분자 하이드로겔 전해질입니다. 이온성 단량체를 가교·중합해 3차원 망상 구조를 만들고, 고분자 표면의 수화층(hydration layer)을 결합수층과 중간수층·자유수층으로 구분해 제어합니다. 쌍성이온 작용기와 물 분자의 정전기적 상호작용으로 중간수층을 형성하고, 가교 네트워크로 자유수의 이동을 억제해 고전위 안정창을 구현하는 방식입니다.
- 핵심 기능
이온성 고분자 단량체, 가교제 및 개시제를 열 또는 광 반응으로 중합가교해 쌍성이온 고분자 하이드로겔 골격을 형성합니다. 수화층에서 중간수층 비율을 자유수층보다 높게 유지해 자유수의 분율과 이동을 낮추고, 금속염이 용해·해리될 수 있는 이온 이동 경로를 제공합니다.
- 차별 강점
기존 수계 전해질은 자유수의 분해로 전위안정창이 제한되고, 높은 전압에서 기체 발생과 분극 증가가 발생할 수 있습니다. 본 기술은 단순히 물을 포함하는 하이드로겔이 아니라 수화층 내 중간수층과 자유수층의 비율을 제어하고 가교 네트워크를 결합해 물 분해 억제를 목표로 한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 리튬·나트륨·칼륨·아연·알루미늄·마그네슘 이차전지용 수계 전해질, 고전위 안정 수계 전지, 하이드로겔 전해질 설계 분야에 활용 가능하며, 전극 조합별 계면 안정성 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 이차전지 제조 기업, 전해질 소재 기업, 안전성 중심의 에너지저장장치 기업을 위한 수계 전지용 전해질 소재와 파일럿 셀 개발로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
MPC 기반 쌍성이온 고분자 하이드로겔을 대상으로 DSC와 FT-IR로 수화층의 물 상태를 분석하고, 코인 셀 구성에서 LSV로 전위안정창을 평가했습니다. PEGMA 기반 고분자 전해질 및 정제수 기반 전해질과 비교했으나, 실제 전지의 장기 사이클 수명·고율 특성·장기 계면 안정성은 추가 검증이 필요합니다.
- 시료: MPC 기반 쌍성이온 고분자 하이드로겔 수계 전해질
- 전지 구성: SUS 측정전극·알루미늄 대전극·폴리에틸렌 분리막을 적용한 코인 셀
- 비교 전해질: PEGMA 기반 고분자 전해질 및 정제수 기반 전해질
- 평가 조건: LSV 스캔율 10mV/s, 4V까지 평가
현재 성과
코인 셀 LSV 평가에서 실시예 2는 비교예 4 대비 약 1V 향상된 전위안정창을 보였습니다. 이는 자유수 분율 저감과 가교 네트워크에 의한 자유수 이동 억제의 복합 효과로 설명됩니다.
MPC 기반 쌍성이온 고분자 하이드로겔을 DSC·FT-IR·LSV로 분석했습니다. DSC에서 실시예 1의 결빙피크가 -39.42℃에서 확인됐고, FT-IR에서는 중간수 관련 피크 분율이 자유수 관련 피크보다 우세한 경향이 제시됐습니다.
제2 수화층에서 중간수층 비율을 80～90 vol%로 제어하고, 자유수층보다 크게 구성하는 것이 핵심입니다. 기존 하이드로겔 전해질의 물 분해 및 기체 발생 문제에 대해, 쌍성이온 구조의 강한 물 분자 상호작용과 가교 네트워크를 함께 적용한 점에서 차별성이 있습니다.
상용화까지 남은 부분
실제 전지에서의 장기 사이클 수명 및 고율 충방전 특성 검증
전극 조합별 전기화학 성능과 장기 계면 안정성 검증
대면적 전해질 제조 공정과 파일럿 셀 수준의 균일성·재현성 확보
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
수화층 제어를 통한 고전위안정창을 갖는 쌍성이온 고분자 기반 수계 전해질 및 그 제조방법
10-2024-0074114 (2024.06.07)
1020240174851 (2024.12.17)
10-2959350
강용묵, 서지훈, 이수원, 김빛가람, 박상현, 장석현
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단