부산대 박민준·김규정 교수팀, 질화규소 리튬 딥코팅 공정으로 2000시간 구동, 대면적 제조 성공
균일성·안정성 및 고에너지 밀도 확보, 비용 20~30% 절감에 이산화탄소 배출 감소까지

왼쪽부터 박민준·김규정 교수

부산대학교(총장 최재원)는 첨단융합학부 미래에너지전공 박민준 교수와 광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 차세대 전기차와 스마트 기기 배터리의 핵심 기술로 꼽히는 ‘흑연을 대체할 리튬메탈 음극’을 대면적·초박막으로 제조하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

이 기술은 배터리 용량을 크게 늘리면서도 안정적으로 오래 쓸 수 있어, 고성능 전기차와 드론, 우주항공 분야까지 활용 가능할 것으로 기대된다.

연구팀은 금속 구리판에 질화규소(Si₃N₄)라는 얇은 막을 입힌 뒤, 300℃의 녹은 리튬(Li) 속에 담그는 ‘딥코팅(dip-coating)’ 방법을 사용했다. 질화규소로 된 막은 리튬 금속이 잘 달라붙고 고르게 퍼질 수 있도록 돕는 역할을 한다.

이 과정을 거치자, 전극 표면에 두 가지 성질을 가진 합금층이 자연스럽게 만들어졌다. 하단은 리튬-실리콘(LixSiy) 합금이 생겨 전극을 단단하게 지지하는 버팀목 역할을 하고, 상단은 리튬-질소(LixNy) 합금이 형성돼 리튬이 균일하게 움직이도록 통로를 열어줬다.

덕분에 배터리 안에서 리튬이 한쪽에 뭉치거나 뿌리처럼 자라는 덴드라이트 현상이 억제되고, 충전·방전이 반복돼도 전극이 오래 안정적으로 유지됐다.

이렇게 만들어진 리튬 금속 전극은 두께가 종이보다 얇고 머리카락 굵기의 절반 정도인 20~40㎛(마이크로미터)밖에 되지 않지만, 2000시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 기존에는 기계로 눌러 만드는 방식(압연법)이 한계가 있어 이렇게 얇으면서도 넓게 만들기 어려웠는데, 이번에 300℃ 용융 딥코팅 방식으로 훨씬 큰 크기(100㎠)까지 제작하는 데 성공해 실제 산업 생산에도 적용할 수 있는 가능성을 확인했다.

글로벌 리튬메탈 배터리 시장은 2030년 300억 달러(약 41조 원) 이상의 규모로 성장할 것으로 전망되며, 연평균 25% 이상의 고성장을 이어갈 것으로 예측된다. 특히 전기차, 도심항공모빌리티(UAM), 드론, 우주·국방 분야에서 고에너지·경량 전지 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 보인다.

이번 연구에서 제시한 용융 리튬 딥코팅 기반 초박막 음극 공정은 기존 압연·증착 대비 제조단가를 20~30% 절감할 수 있으며, 산업적으로 가장 큰 과제였던 리튬박막의 균일성·안정성 문제를 해결했다.

또한 기존 흑연 음극 대비 에너지 밀도 40~60% 향상과 이산화탄소(CO₂) 배출 감소라는 환경적 장점까지 입증해, 탄소중립·친환경 가치를 동시에 충족하는 차세대 전략기술로 평가된다.

이번 성과는 국제 학술지 『에너지 앤드 인바이러멘털 머티리얼즈(Energy & Environmental Materials』 10월호에 실렸으며, 부산대 첨단융합학부 미래에너지전공 박민준 교수와 광메카트로닉스공학과 김규정 교수가 연구를 주도했다. 또한 부경대 오필건 교수와 한국전기연구원 박준우 박사도 공동연구자로 참여해 연구 성과 도출에 기여했다.

논문 제목은 Gradient-Engineered Ultra-Thin Lithium Metal Anodes with a Li-Si-N Alloy-Based Lithiophilic Current Collector Interphase(Li–Si–N 합금 기반 리튬친화성 CCI를 갖는 구배 설계 초박막 리튬 금속 음극)이다.

박민준 부산대 교수는 “이번 기술은 연구실 성과를 넘어 부산대 교원창업기업 ㈜넥스트배터리의 사업화 비전과 직결된 원천 기술”이라며, “확장성과 원가 경쟁력을 동시에 확보했기 때문에, 향후 5년 내 전기차·UAM·우주·국방 등 차세대 전략 시장으로 빠른 사업화 전환이 가능할 것”이라고 강조했다.

이번 성과는 부산대 지역혁신중심 대학지원체계(RISE), 한국연구재단의 ‘브레인링크(BrainLink)’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.

【리튬-실리콘-질화물 합금계 gradient CCI 개발】 - 연구 개념도