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[사진. (왼쪽부터) 신소재공학과 김형동 박사과정생, 배터리공학과 김범준 연구원, 공주대 기계자동차공학부 이동경 교수, 신소재공학과 이홍경 교수]

 

신소재공학과 이홍경 교수팀은 공주대 이동경 교수 연구팀과 함께 펄스 레이저를 이용해 상용 리튬금속 음극의 자연 산화층을 제거하고 표면을 균일하게 만드는 기술을 개발했다.

 

이 기술을 적용한 음극은 실용화를 고려한 높은 용량 조건에서 200회 이상 안정적으로 충·방전되며, 미처리 음극을 적용한 전지보다 약 4배 긴 수명을 보였다. 산화돼 성능이 저하된 리튬금속 음극의 성능을 회복시켜 재사용 가능성도 확인했다.

 

리튬금속 전지는 기존 흑연 음극 대신 리튬 금속을 사용해 같은 무게나 부피에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 전기차(EV)와 도심항공모빌리티(UAM) 등에 활용할 차세대 전지로 주목받고 있다. 그러나 얇은 금속박 형태의 상용 리튬금속 음극은 제조·보관·취급 과정에서 자연 산화층이 형성되고, 눌린 자국이나 미세 균열 등으로 표면이 불균일해질 수 있다. 이러한 화학적·물리적 불균일성은 충·방전 과정에서 리튬이 고르지 않게 쌓이고 빠지게 해 전지 수명과 성능의 안정성을 떨어뜨리는 원인이 된다.

[그림. 펄스 레이저를 이용한 리튬금속 음극 표면 처리 과정과 산화된 리튬금속 음극의 표면 재생 효과를 나타낸 모식도]

 

연구팀은 이를 해결하기 위해 나노초 펄스 레이저의 조사 조건을 조절해 서로 다른 역할을 하는 두 가지 처리 방식을 구현했다. 짧은 펄스를 이용하는 ‘제거 모드(Ablation mode, A-mode)’는 리튬 표면에 형성된 자연 산화층을 선택적으로 제거하고, 상대적으로 긴 펄스를 이용하는 ‘평탄화 모드(Smoothing mode, S-mode)’는 표면을 부분적으로 녹였다가 다시 굳히는 방식으로 미세 균열과 요철을 완화한다.

 

두 공정은 하나의 레이저 장비에서 구현할 수 있어 별도의 습식 화학처리나 음극에 직접 접촉하는 기계적 가공이 필요하지 않다. 특히 연구팀은 두 처리 방식을 적용하는 순서가 전지 성능을 좌우한다는 사실도 확인했다.

 

산화층을 먼저 제거한 뒤 표면을 평탄화하는 ‘A/S’ 순서에서는 리튬 표면의 화학적 불균일성과 물리적 결함을 동시에 효과적으로 줄일 수 있었다. 반대로 표면을 먼저 평탄화한 뒤 산화층을 제거하는 ‘S/A’ 순서에서는 기존 산화층 일부가 녹은 리튬 내부에 갇혀 이후 레이저 처리로도 충분히 제거되지 않았다. 이를 통해 단순히 표면을 매끄럽게 만드는 것뿐 아니라 산화층 제거와 표면 평탄화의 순서를 정밀하게 제어하는 것이 중요하다는 사실을 규명했다.

 

최적화된 A/S 공정으로 처리한 리튬금속 음극을 NMC622 양극과 결합해 성능을 평가한 결과, 실용화를 고려한 4.0 mAh/cm²의 높은 면적용량 조건에서 200회 이상 안정적인 충·방전 성능을 유지했다. 이는 미처리 리튬금속 음극을 적용한 전지보다 약 4배 향상된 수명이다.

 

연구팀은 레이저 공정이 이미 산화된 리튬금속 음극을 되살리는 데도 활용될 수 있는지 확인했다. 실제 보관이나 취급 과정에서 발생할 수 있는 열화 상태를 모사하기 위해 리튬금속 음극을 일반 대기에 최대 4시간 노출해 강제로 산화시킨 뒤 동일한 A/S 공정을 적용했다.

 

그 결과 산화로 증가했던 계면 저항이 크게 감소하고 표면 상태가 균일하게 회복됐다. 해당 음극을 적용한 전지 역시 산화되지 않은 리튬금속 음극에 같은 레이저 공정을 적용한 전지와 유사한 수준의 성능을 나타냈다. 이를 통해 제조·보관 과정에서 산화돼 성능이 떨어진 리튬금속 음극의 회복과 재사용 가능성을 제시했다.

 

이홍경 교수는 이번 연구의 의미에 대해 “제조사와 제조 공정에 따라 품질이 달라지는 상용 리튬금속 음극의 표면을 경제적이고 정밀한 레이저 공정으로 균일하게 개선했다는 데 의미가 크다”며 “특히 산화돼 성능이 저하된 리튬금속 음극까지 재생할 수 있음을 확인한 만큼, 향후 차세대 전지의 제조 신뢰성을 높이고 리튬 자원의 효율적인 활용에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

 

연구팀은 이번 연구 성과를 바탕으로 기술 사업화도 추진하고 있다. 연구에 참여한 김형동 연구원은 2026년 실험실 특화형 창업선도대학 사업을 통해 교내 드라이룸에 레이저 통합 시스템을 구축했다. 드라이룸은 공기 중 수분을 엄격하게 관리해 리튬금속과 같은 수분에 민감한 소재를 안전하게 다룰 수 있도록 조성된 연구·제조 공간이다. 이어 2026년 10월 ‘리바이브 솔루션(LiVive Solution)’ 법인을 설립해 사업화를 진행하고 있다.

 

이번 연구에는 우리 대학교 김형동, 김범준 연구원이 공동 제1저자로, 이홍경 교수와 공주대 이동경 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부가 주관하는 ‘리튬메탈음극의 범용적 활용을 위한 모듈형 LEA 핵심기술개발’ 사업과 현대자동차 공동배터리연구센터 등의 지원을 받아 진행됐다.