부산대, 흑연 대체 초박막 리튬 금속 전극 개발 성공

질화규소 딥코팅으로 안정성 확보
2000시간 구동 및 대면적 제조 성공
제조 비용 20~30% 절감 가능성 확인

부산대 연구진 박민준·김규정 교수./부산대 제공

부산대학교 박민준·김규정 교수 연구팀이 차세대 배터리의 핵심 기술인 흑연을 대체할 리튬메탈 음극을 대면적·초박막으로 제조하는 데 성공했다.

이 기술은 배터리 용량을 크게 늘리고 안정적으로 오래 사용할 수 있어 고성능 전기차와 드론, 우주항공 분야까지 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 금속 구리판에 질화규소라는 얇은 막을 입힌 뒤, 300℃의 녹은 리튬(Li) 속에 담그는 딥코팅(dip-coating) 방법을 사용했다. 이 과정을 통해 전극 표면에 두 가지 성질을 가진 합금층이 자연스럽게 만들어졌다.

하단은 리튬-실리콘 합금층이 전극을 단단하게 지지하고, 상단은 리튬-질소 합금층이 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 얇은 20~40㎛에 불과하지만, 2000시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 기존 방식으로는 어렵던 크기인 100㎠까지 제작하는 데 성공해 실제 산업 생산에 적용할 수 있는 가능성을 확인했다.

이번 연구에서 제시한 용융 리튬 딥코팅 기반 초박막 음극 공정은 기존 제조 방식 대비 제조단가를 20~30% 절감할 수 있다. 또한 기존 흑연 음극 대비 에너지 밀도 40~60% 향상과 이산화탄소(CO₂) 배출 감소라는 환경적 장점까지 입증했다.

박민준 부산대 교수는 "이번 기술이 부산대 교원창업기업 ㈜넥스트배터리의 사업화 비전과 직결된 원천 기술"이라며 "향후 5년 내 전기차·UAM·우주·국방 등 차세대 전략 시장으로 빠른 사업화 전환이 가능할 것"이라고 밝혔다.

이번 성과는 국제 학술지 '에너지 앤드 인바이러멘털 머티리얼즈' 10월호에 실렸으며, 부산대 첨단융합학부 박민준 교수와 광메카트로닉스공학과 김규정 교수가 연구를 주도했다. 부경대 오필건 교수와 한국전기연구원 박준우 박사도 공동연구자로 참여했다.

부산=김성욱 기자 attainuk0518@