부산대, 흑연 대체할 초박막 리튬 금속 전극 개발

질화규소 딥코팅 공정으로 2000시간 구동·대면적 제조 성공…전기차·UAM용 차세대 배터리 핵심 기술

부산대학교(총장 최재원)는 첨단융합학부 미래에너지전공 박민준 교수와 광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 차세대 배터리의 핵심으로 꼽히는 ‘리튬 메탈 음극’을 초박막·대면적으로 제조하는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 이번 연구는 배터리의 용량과 안정성을 동시에 높이는 기술로, 전기차·드론·우주항공 등 고에너지 산업 분야에서 활용 가능성이 기대된다.

연구팀은 구리 금속판에 질화규소(Si₃N₄) 막을 형성한 뒤, 이를 300℃의 녹은 리튬(Li) 속에 담그는 ‘딥코팅(dip-coating)’ 공정을 적용했다. 질화규소 막은 리튬이 균일하게 달라붙도록 돕는 리튬친화층 역할을 하며, 이 과정에서 전극 표면에 리튬-실리콘(LixSiy) 합금과 리튬-질소(LixNy) 합금이 자연스럽게 형성됐다. 하단의 리튬-실리콘층은 전극 구조를 단단히 지지하고, 상단의 리튬-질소층은 리튬 이온이 고르게 이동할 수 있는 통로를 형성했다.
이 복합구조 덕분에 충·방전 과정에서 리튬이 한쪽으로 몰리거나 뿌리처럼 자라는 덴드라이트 현상이 억제되어 전극 안정성이 향상됐다.

완성된 리튬 금속 전극은 두께 20~40㎛, 종이보다 얇고 머리카락 굵기의 절반 수준이다. 이 전극은 2000시간 이상 안정적인 구동을 보였으며, 기존의 압연(roll-pressing) 방식으로는 불가능했던 대면적(100㎠) 제조에도 성공했다. 300℃ 용융 딥코팅 공정을 통해 균일성과 내구성을 확보함으로써, 실제 산업 생산 공정 적용 가능성을 확인한 점이 주목된다.

이번 기술은 기존 흑연 음극 대비 에너지 밀도 40~60% 향상, 제조비 20~30% 절감, CO₂ 배출 저감 효과를 동시에 달성했다. 고비용·고위험으로 평가되던 리튬박막 제조에서 균일성·안정성·경제성 문제를 해결한 점이 이번 연구의 핵심 성과로 평가된다. 박민준 교수는 “이번 기술은 연구실 실험 단계를 넘어 부산대 교원창업기업 ㈜넥스트배터리의 상용화 비전과 직결된 원천 기술”이라며, “확장성과 원가 경쟁력을 동시에 확보한 만큼 향후 5년 내 전기차, 도심항공모빌리티(UAM), 우주·국방 등 차세대 전략 시장으로 빠르게 이전될 것”이라고 말했다.

이 연구 결과는 국제 학술지 『Energy & Environmental Materials』(2025년 10월호)에 게재됐다. 논문 제목은 “Gradient-Engineered Ultra-Thin Lithium Metal Anodes with a Li–Si–N Alloy-Based Lithiophilic Current Collector Interphase”이며, 부산대 박민준·김규정 교수를 비롯해 부경대 오필건 교수, 한국전기연구원 박준우 박사가 공동으로 참여했다. 연구는 부산대 지역혁신중심 대학지원체계(RISE) 와 한국연구재단 브레인링크(BrainLink) 사업의 지원을 받아 수행됐다.

글로벌 리튬메탈 배터리 시장은 2030년 300억 달러(약 41조 원) 규모로 성장할 것으로 예상되며, 전기차·드론·우주항공 분야의 고에너지·경량화 수요 증가에 따라 연평균 25% 이상 성장세가 이어질 것으로 전망된다. 연구팀의 초박막 리튬 전극 기술은 이러한 산업 수요 변화에 대응할 차세대 에너지 저장 소재로 주목받고 있다.

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