새로운 '원포트' 기술, 소재 합성의 획기적인 진전

시카고 대학교 프리츠커 분자공학과의 새로운 기술은 동일한 용기에서 무기 및 폴리머 배터리 전해질을 동시에 구축합니다. 이 "원포트" 현장 방법은 무기 고체의 전도도와 폴리머의 유연성을 결합하여 제어되고 균질한 혼합물을 만듭니다.

배터리 전해질(배터리의 두 단자 사이로 대전된 입자를 운반하는 구성 요소)을 만드는 일은 항상 상충되는 일이었습니다.

고체 무기 전해질은 입자를 매우 효율적으로 이동시키지만, 고체이고 무기적이라는 것은 또한 부서지기 쉽고, 작업하기 어렵고, 단자와 매끄럽게 연결하기 어렵다는 것을 의미합니다. 폴리머 전해질은 작업하기에 꿈같지만, 대전된 이온을 잘 움직이지 못합니다.

두 가지를 섞어 하이브리드 전해질을 만들면 엇갈린 결과가 나옵니다.

"딜레마가 있습니다. 하이브리드는 무기의 높은 이온 전도도와 폴리머의 우수한 기계적 특성이라는 측면에서 양쪽의 장점을 모두 갖추고 있는 것인가요, 아니면 최악의 특성을 합친 것인가요?" 시카고 대학교 프리츠커 분자 공학부(UChicago PME)의 치부에제 아만추쿠 조교수가 말했습니다.

Amanchukwu Lab의 새로운 기술은 동일한 용기에서 무기 및 폴리머 전해질을 동시에 구축합니다. 이 "원포트" 현장 방법은 무기 고체의 전도도와 폴리머의 유연성을 결합하여 제어되고 균질한 혼합물을 만듭니다.

"리튬 금속 배터리를 만들 때 현장 혼합법은 물리적 혼합법보다 훨씬 더 우수한 성과를 보입니다."라고 Amanchukwu는 말했습니다.

이들의 연구는 재료화학 에 게재되었습니다.

이 연구는 배터리 전해질에 초점을 맞추었지만, 새로운 기술은 반도체 연구, 전자공학, 산업용 코팅, 실런트 및 하이브리드 소재를 사용하는 모든 분야에 영향을 미칠 것입니다.

"매우 잘 늘어나고 뒤틀리고 돌릴 수 있는 착용형 전자제품 같은 것을 원한다고 가정해 보죠. 그러면 그 재료에 기계적 유연성을 부여하도록 폴리머를 설계하면 됩니다." 첫 번째 저자인 24년 박사 학위 소지자 프리야다르시니 미르미라의 말입니다.

스트림을 통합하다

하이브리드 소재를 만드는 데는 현재 두 가지 합성 흐름이 필요합니다. 무기 및 폴리머 소재는 둘 다 동시에 합성되더라도 별도로 만들어집니다. 그러면 두 소재를 함께 혼합하는 데 추가 시간이 필요합니다.

연구실에서는 귀찮은 일이지만, 산업계가 요구하는 대량 생산 규모에서는 경제적 장애물이 됩니다.

"산업적 관점에서 보면, 확장을 시도하는 것은 정말 어렵고 비용이 많이 듭니다." Mirmira가 말했습니다. "둘 다 원포트 방식으로 만들 수 있다면, 하이브리드 소재를 만드는 데 필요한 노동력이 줄어든 셈입니다."

하이테크 합성 소재를 섞는 것은 오트밀을 섞는 것과 같은 문제, 즉 덩어리가 생깁니다. 응고되고 덩어리진 혼합물은 비효율적인 배터리, 뭉친 실런트, 덜 유용한 전자 제품을 의미합니다.

"저는 가루, 세라믹, 폴리머를 만들었으니, 섞어보겠습니다." 아만추쿠가 말했다. "도전은 무엇이 좋은 혼합을 만드는가입니다. 좋은 혼합을 원하십니까? 원치 않으십니까? 입자가 응집됩니까? 그렇지 않습니까?"

여러 재료를 하나의 냄비에 넣어 완벽한 물리적 조합을 이루는 것뿐만 아니라, 연구팀은 일부 재료가 화학적으로도 결합되는 모습도 보았습니다.

"무기 전구체와 폴리머 전구체의 일부 조합에 대해 우리는 가교의 증거를 보았습니다. 즉, 무기와 폴리머 사이의 화학적 결합을 의미합니다." Amanchukwu가 말했습니다. "그것은 우리를 흥분시킨 새로운 재료 화학입니다."

다양한 응용 프로그램

이 논문은 리튬 배터리에 초점을 맞추었는데, 이는 리튬 배터리가 EV, 그리드 저장 및 기타 응용 분야에서 가장 흔하기 때문입니다. 하지만 이 기술은 리튬에 비해 저렴하고 풍부한 대안으로 발전하고 있는 나트륨 배터리에도 적용될 수 있습니다.

미르미라는 "실제로 무기 반응물 중 하나를 바꿔서 나트륨 전지 셀에도 적용하는 게 중요해요."라고 말했습니다.

미르미라는 원포트 공정을 산업 제조에 필요한 수준으로 확장하려면 "조정할 몇 가지 다른 노브"가 필요하다고 말했습니다. 우선, 공정은 완전히 공기가 없어야 하며 아르곤이나 다른 불활성 가스로 처리해야 합니다. 이는 공장 바닥보다 실험실에서 유지 관리하기가 더 쉽습니다.

둘째, 냄비가 뜨거워집니다. 산업 수준에 도달하려면 정밀한 조정이 필요합니다. 그릇은 폴리머를 합성하기에 충분히 뜨거워져야 하지만 재료의 분해 온도를 넘을 정도로 뜨거워서는 안 됩니다.

"이 반응을 확장하면 더 많은 재료가 생기고, 용기는 본질적으로 더 뜨거워질 것입니다." Mirmira가 말했습니다. "그러니 온도 조절에 대해 걱정해야 합니다."

이러한 장애물이 극복되면, 연구를 통해 경제적, 화학적으로 효율적인 방식으로 완벽하고 균질한 하이브리드가 탄생하게 될 것입니다.

"완전히 통합된 무기 폴리머 소재를 제어할 수 있는 그런 종류의 제어는 우리가 해결하려고 했던 과제였고, 우리가 이룰 수 있었던 매우 멋진 일이었습니다."라고 Mirmira는 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250306152934.htm