부산대, 차세대 전기차용 ‘리튬메탈 초박막 음극’ 대면적 제조 성공

질화규소 리튬 딥코팅 공정… 2000시간 구동, 비용 20∼30% 절감
균일성·안정성과 고에너지 밀도 확보, 이산화탄소 배출 감소까지

부산대학교(총장 최재원)는 첨단융합학부 미래에너지전공 박민준 교수와 광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 차세대 전기차와 스마트기기 배터리의 핵심 기술로 꼽히는 '흑연 대체 리튬메탈 음극'을 대면적·초박막으로 제조하는 데 성공했다고 10일 전했다.

왼쪽부터 박민준교수, 김규정 교수.

이 기술은 배터리 용량을 크게 늘리면서도 안정성과 수명을 증가시킬 수 있어, 고성능 전기차·드론·우주항공 분야까지 폭넓게 활용될 전망이다.

연구팀은 금속 구리판 위에 질화규소(Si₃N₄) 얇은 막을 입힌 후, 이를 300℃의 녹은 리튬(Li) 속에 담그는 '딥코팅(dip-coating)' 방식을 사용했다.

이때 질화규소 막이 리튬이 고르게 퍼지고 단단히 부착되도록 도와 표면에 두 가지 합금층이 자연스럽게 형성됐다.

하단의 리튬-실리콘(LixSiy) 합금층은 전극을 단단히 지지하는 버팀목 역할을 하고 상단의 리튬-질소(LixNy) 합금층은 리튬이 균일하게 이동할 수 있는 통로를 만들어줬다.

이로 인해 배터리 내부에서 리튬이 한쪽으로 뭉치거나 '덴드라이트'처럼 자라는 현상이 억제되고 충·방전 반복 시에도 전극 안정성이 유지됐다.

이 방식으로 제작된 리튬 금속 전극은 두께 20∼40㎛, 즉 종이보다 얇고 머리카락 굵기의 절반 수준이지만 2000시간 이상 안정 구동에 성공했다.

기존 압연법으로는 이처럼 얇고 넓은 리튬박막 제조가 어려웠으나, 이번 연구에서는 100㎠ 대면적 제조에도 성공해 산업적 확장 가능성을 입증했다.

글로벌 리튬메탈 배터리 시장은 2030년 약 300억 달러(약 41조원) 규모로 성장할 것으로 예상된다.

이번 용융 리튬 딥코팅 기반 초박막 음극 기술은 기존 압연·증착 공정보다 제조단가를 20∼30% 절감할 수 있고, 리튬박막의 균일성·안정성 문제를 동시에 해결했다.

또 기존 흑연 음극 대비 에너지 밀도 40∼60% 향상, 이산화탄소(CO₂) 배출 감소 등 친환경적 효과도 입증돼, 탄소중립 실현과 고성능 배터리 개발을 동시에 충족하는 전략 기술로 평가받고 있다.

이번 연구성과는 국제 학술지 'Energy & Environmental Materials'(2025년 10월호)에 게재됐다.

연구는 부산대 첨단융합학부 박민준 교수와 광메카트로닉스공학과 김규정 교수가 주도했으며, 부경대 오필건 교수, 한국전기연구원 박준우 박사가 공동으로 참여했다.

박민준 교수는 "이번 기술은 연구실 성과를 넘어 부산대 교원창업기업 ㈜넥스트배터리의 사업화 비전과 직결된 원천기술"이라며, "확장성과 원가경쟁력을 동시에 확보했기 때문에 향후 5년 내 전기차·UAM·우주·국방 등 차세대 시장에서 빠른 사업화 전환이 가능할 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 부산대 지역혁신중심 대학지원체계(RISE)와 한국연구재단 브레인링크(BrainLink) 사업의 지원을 받아 수행됐다.

영남취재본부 조충현 기자 jchyoung@asiae.co.kr