부산대학교는 첨단융합학부 미래에너지전공 박민준 교수와 광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 차세대 전기차와 스마트 기기 배터리의 핵심 기술로 꼽히는 '흑연 대체 리튬메탈 음극'을 대면적·초박막으로 제조하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

이 기술은 배터리 용량을 크게 늘리면서도 안정적으로 오래 쓸 수 있어 고성능 전기차와 드론, 우주항공 분야까지 활용할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 금속 구리판에 질화규소(Si₃N₄) 막을 입힌 뒤 300도의 녹은 리튬(Li) 속에 담그는 '딥코팅(dip-coating)' 방법을 사용했다.

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

이렇게 만들어진 리튬 금속 전극은 두께가 종이보다 얇고 머리카락 굵기의 절반 정도인 20~40㎛(마이크로미터)밖에 되지 않지만, 2천시간 이상 안정적으로 작동한다.

글로벌 리튬메탈 배터리 시장은 연평균 25% 이상 고성장을 이어가 2030년 300억달러 이상 규모로 성장할 것으로 전망된다.

이번 연구에서 제시한 용융 리튬 딥코팅 기반 초박막 음극 공정은 기존 압연·증착 대비 제조단가를 20~30% 절감할 수 있다. 기존 흑연 음극 대비 에너지 밀도 40~60% 향상과 이산화탄소 배출 감소라는 환경적 장점까지 입증했다.

이번 성과는 국제 학술지 '에너지 앤드 인바이러멘털 머티리얼즈' 10월호에 실렸다.

박 교수와 김 교수가 연구를 주도했고, 부경대 오필건 교수와 한국전기연구원 박준우 박사도 공동연구자로 참여했다.

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