이 연구 주제는 리튬이차전지의 성능과 안전성을 동시에 향상시키기 위한 전해질 조성 설계에 초점을 둔다. 연구실은 유기 탄산염계 전해액, 선형 에스테르계 용매, 기능성 첨가제, 비가연성 또는 저가연성 성분을 조합하여 고에너지 밀도의 리튬이온전지와 리튬금속전지에 적합한 액체 전해질 시스템을 개발한다. 특히 고니켈 양극이나 실리콘계 음극처럼 반응성이 높은 전극과 조합될 때 발생하는 열화, 가스 발생, 발화 위험을 줄이기 위해 전해질의 전기화학적 안정 창과 계면 반응성을 정밀하게 제어하는 것이 핵심이다. 연구실의 최근 성과는 난연성 액체전해질을 이용해 배터리 열폭주를 억제하고, 동시에 충전 속도와 수명 특성을 유지하거나 개선하는 방향으로 집중되어 있다. 관련 논문과 특허에서는 고니켈 리튬이온전지의 thermal runaway를 방지하는 비가연성 carbonate 기반 전해질 포뮬레이션, 고속 충전용 전해액, 전해질 최적화 시스템 등이 제시된다. 단순히 난연제를 첨가하는 수준을 넘어, 전해질 분해 산물과 계면막 형성 메커니즘까지 고려하여 실제 셀 수준에서 후기 용량 유지율, 최종 방전 용량, 고율 충전 성능을 동시에 평가하는 접근이 특징이다. 이 연구는 전기차, 에너지저장장치, 고출력 모바일 기기 등에서 요구되는 고안전성 배터리 기술의 핵심 기반이 된다. 특히 화재와 폭발 위험을 줄이면서도 고에너지 밀도와 빠른 충전을 구현해야 하는 산업적 요구에 매우 직접적으로 연결된다. 앞으로는 데이터 기반 전해질 탐색, 극한 온도 및 고전압 조건에서의 안정성 확보, 차세대 리튬금속전지까지 확장 가능한 범용 전해질 플랫폼 구축으로 발전할 가능성이 크다.

연구실의 또 다른 핵심 축은 전극과 전해질 사이에서 형성되는 계면층을 정밀하게 설계하고 안정화하는 것이다. 리튬이차전지의 수명 저하, 리튬 도금, 저온 성능 악화, 고전압 열화 등 많은 문제는 전극 활물질 자체보다도 계면에서 시작되는 경우가 많다. 이에 따라 연구실은 음극의 SEI(Solid Electrolyte Interphase), 양극 계면막, 바인더 유래 보호층, 첨가제 유래 나노 계면막 등 다양한 형태의 계면 구조를 제어하여 전지의 전기화학적 거동을 개선한다. 특히 실리콘계 음극, 흑연-실리콘 복합 음극, 고니켈 양극, 리튬금속 음극처럼 계면 불안정성이 큰 전극을 대상으로 한 연구가 두드러진다. 실리콘 음극의 경우 부피 팽창과 반복적인 계면 파괴가 심각한 문제인데, 연구실은 전해액 첨가제, 인공 SEI, 표면 보호층, 기능성 계면 설계를 통해 사이클 수명과 초기 효율을 높이는 전략을 발전시켜 왔다. 고니켈 양극에서는 고전압 구동 시 발생하는 전해질 산화, 금속 용출, 표면 구조 붕괴를 억제하기 위해 기능성 첨가제와 바인더, 계면 안정화 기법을 함께 적용한다. 이러한 계면 제어 연구는 단일 소재 개발보다 실제 셀 성능과 직결된다는 점에서 실용성이 매우 높다. 전극 소재의 잠재 성능을 최대한 끌어내고, 빠른 충전이나 저온 구동 같은 가혹 조건에서도 안정성을 확보할 수 있기 때문이다. 앞으로 이 분야는 계면 반응의 기작 규명, operando 분석, 계산화학 및 모델링과의 결합을 통해 더욱 정교한 설계 과학으로 발전할 것이며, 연구실은 그 중심에서 고성능 배터리의 수명·안전·출력 문제를 동시에 해결하는 연구를 수행하고 있다.

송승완 연구실은 고속충전이 가능한 리튬이차전지 개발과 차세대 전지 구조 설계에도 강점을 보인다. 전기차용 배터리에서 짧은 시간 내 충전을 구현하려면 전극 내 리튬 확산, 계면 반응 속도, 전해질 이온전도도, 리튬 도금 억제 등 여러 요소를 동시에 최적화해야 한다. 연구실은 음극 확산 kinetics 향상, 고율 특성 개선, 전해질 조성 조절, 계면 안정화를 통합적으로 고려하여 1분 충전 600km 주행을 목표로 하는 대형 프로젝트에도 참여하고 있다. 또한 연구실은 새로운 전지 형상과 작동 메커니즘에도 지속적으로 도전해 왔다. 대표적으로 케이블형 유연 리튬이온전지 연구는 중공 다중 나선형 전극 구조를 이용해 기존 평판형 전지보다 훨씬 우수한 기계적 유연성을 구현한 사례다. 더불어 리튬금속전지, 고체전해질 및 고분자 전해질 기반 전지, 황계 양극을 포함한 리튬-황전지, 마그네슘 이온전지 등 차세대 저장 시스템에 대한 발표와 연구 실적도 폭넓게 확인된다. 이는 특정 상용 시스템에만 머무르지 않고 전기화학 에너지 저장 전반으로 연구 범위를 확장하고 있음을 보여준다. 최근에는 실험 중심 연구를 넘어 P2D 전기화학 모델링, 용량 감소 메커니즘 해석, capacity fade 예측, 베이지안 최적화 및 액티브 러닝 기반 실험 설계까지 도입하고 있다는 점이 특징적이다. 이러한 데이터 기반 접근은 많은 조성과 조건을 빠르게 탐색해야 하는 배터리 연구에서 매우 큰 효율성을 제공한다. 앞으로 연구실의 고속충전 및 차세대 전지 연구는 재료 설계, 계면 제어, 공정 최적화, AI 기반 탐색을 결합한 융합형 배터리 공학으로 더욱 고도화될 것으로 기대된다.