특허 개요
본 특허는 물 기반 전해질 안에서 물의 상태를 제어해 더 높은 전압에서도 안정적으로 사용할 수 있도록 한 쌍성이온 고분자 하이드로겔 전해질입니다. 이온성 고분자 단량체를 가교·중합해 3차원 망상 구조를 만들고, 표면의 수화층(hydration layer)을 결합수층과 제2 수화층으로 구성합니다. 쌍성이온 작용기의 정전기적 인력으로 제2 수화층 내 중간수층 비율을 자유수층보다 높게 유지해 자유수의 이동과 물 분해를 억제하는 방식입니다.
- 핵심 기능
쌍성이온 단량체 또는 양이온·음이온 혼합단량체를 가교제 및 개시제와 함께 중합·가교해 물을 포함하는 3차원 하이드로겔 전해질을 형성합니다. 고분자와 물의 상호작용으로 중간수층을 늘리고 자유수의 분율과 이동을 제어함으로써 전해질의 물 분해와 이에 따른 기체 발생 및 전하 전달 저해를 줄입니다.
- 차별 강점
기존 수계 전해질은 낮은 전위에서 물 분해가 발생해 전위안정창이 좁고, 고전압 전지 적용 시 에너지 밀도 확보에 제약이 있었습니다. 본 기술은 제2 수화층에서 중간수층이 자유수층보다 크도록 제어해 자유수 기반 분해를 억제하며, 중간수층 비율을 제2 수화층의 80～90 vol%로 규정한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 리튬 이차전지용 수계 전해질, 나트륨·칼륨·아연·알루미늄·마그네슘 이차전지용 전해질, 고분자 하이드로겔 기반 이온전도 소재 분야에 활용 가능하며, 수계 전해질의 전위안정성 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 고안전성 에너지저장장치, 수계 이차전지, 전해질 소재 및 파일럿 셀 개발 분야로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
MPC 기반 쌍성이온 고분자 하이드로겔 전해질을 대상으로 DSC와 FT-IR 분석을 수행하고, SUS 측정전극·알루미늄 대전극·폴리에틸렌 분리막을 사용한 코인 셀에서 LSV 평가를 진행했습니다. 정제수 및 PEGMA 기반 고분자 전해질과 비교해 자유수 감소, 중간수층 우세 및 전위안정창 향상 경향을 확인했으며, 실제 전지 전극 조합에서의 장기 수명과 반복 충방전 성능은 검증이 필요합니다.
- 시료: MPC 기반 쌍성이온 고분자 하이드로겔 전해질 및 SUS 측정전극·알루미늄 대전극·폴리에틸렌 분리막 코인 셀
- 비교 전해질: PEGMA 기반 고분자 전해질 및 정제수 기반 전해질
- 평가 조건: LSV 스캔율 10mV/s, 4V까지 측정; 제조 경화 70℃·1～2시간, 건조 37℃·1시간
현재 성과
MPC 기반 쌍성이온 전해질을 적용한 코인 셀의 전위안정창이 정제수 기반 전해질 대비 향상된 것으로 제시되었습니다. 강한 고분자·물 상호작용으로 자유수의 분율과 이동을 낮춰 물 분해를 억제하는 것이 해당 효과의 기반입니다.
DSC로 고분자와 물 분자의 상호작용을, FT-IR로 자유수와 중간수의 상대적 상태를 분석했으며, LSV로 전기화학적 안정성을 평가했습니다. 실시예에서는 자유수 관련 피크보다 이온 상호작용에 기인한 중간수 피크 분율이 우세한 경향과 자유수 비율 감소가 서술되었습니다.
제2 수화층에서 중간수층 비율이 자유수층보다 크고 총 제2 수화층의 80～90 vol%를 차지하도록 제어하는 구성이 핵심입니다. 단순히 물을 포함하는 고분자 전해질과 달리, 쌍성이온 구조의 정전기적 상호작용을 이용해 물의 결합 상태와 이동성을 함께 제어한다는 점에서 차별성이 있습니다.
상용화까지 남은 부분
실제 전지용 양극·음극 조합에서의 장기 수명 및 반복 충방전 성능 검증
이온전도도와 전극·전해질 계면 특성의 정량 검증
대면적 제조 공정의 재현성, 스케일업 및 셀 적용 공정성 검증
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