본 연구실은 차세대 에너지 저장 시스템으로 각광받는 아연-공기(Zn-air) 배터리의 혁신적 개발에 주력하고 있습니다. 아연-공기 배터리는 이론적으로 매우 높은 에너지 밀도(1086~1370 Wh/kg)를 자랑하며, 환경 친화적이고 자원이 풍부하다는 장점이 있습니다. 연구실에서는 상용화가 가능한 1Ah급 플렉서블 ZPCs(전고체 플라스틱 크리스탈 기반 아연-공기 배터리)를 개발하여, -20도에서 80도까지 넓은 온도 범위에서 6000회 이상의 충방전 사이클을 안정적으로 구현하였습니다. 이는 기존 리튬이온 배터리 대비 월등히 높은 성능을 보이며, 15분 내 100% 충전, 100만 마일의 주행 내구성 등 실질적 상용화 수준의 기술력을 확보하고 있습니다. 특히, 본 연구실은 전고체 아연-공기 배터리의 핵심 구성요소인 산소 촉매 음극, 고체 전해질, 아연 양극의 소재 및 구조 혁신에 집중합니다. 수계 기반의 시스템을 통해 비가연성, 비폭발성의 안전성을 확보하였으며, 중금속 및 희귀자원 의존도를 낮추는 소재 설계로 글로벌 공급망의 안정성도 강화하였습니다. 또한, 배터리 충방전 과정에서 대기 정화(먼지 필터링, 고순도 산소 발생) 기능까지 부여하여, 친환경적 부가가치를 실현하고 있습니다. 이러한 연구 성과는 미국 에너지부(DoE) 권고 기준을 충족하며, Nature Energy 등 세계적 학술지에 다수 게재되었습니다. 연구실은 아연-공기 배터리의 상용화 및 대규모 에너지 저장 시장 진입을 목표로, 소재-구조-시스템 통합 연구를 지속적으로 선도하고 있습니다.

본 연구실은 차세대 에너지 저장 및 변환 소자의 핵심인 고이온전도성 고체 전해질 개발에 집중하고 있습니다. 슈퍼이온 플라스틱 크리스탈(Superionic Plastic Crystal, OIPC)과 바이오셀룰로오스 기반의 고체 전해질은 기존 액체 전해질의 한계를 극복하며, 안전성, 유연성, 고전도성(상온에서 10 mS/cm 이상)을 동시에 달성할 수 있는 혁신적 소재입니다. 연구실은 계산재료과학 및 분자 동역학 시뮬레이션을 활용하여 수많은 유기양이온-무기음이온 조합 중 최적의 조성을 도출하고, 실험적으로 고성능 전해질을 합성 및 평가하고 있습니다. 특히, 기능화 키토산-박테리아 셀룰로오스(CBC) 멤브레인, OIPC, 슈퍼이온 바이오셀룰로오스 등 다양한 소재를 기반으로 전고체 배터리, 연료전지, 수전해 시스템에 적용 가능한 고체 전해질을 개발합니다. 이들 소재는 우수한 기계적/화학적 안정성과 함께, 극한 온도(-40~+80도)에서도 안정적인 이온 전도 특성을 유지합니다. 또한, 대량 생산 및 상용화에 적합한 공정 기술도 함께 연구하고 있습니다. 이러한 고체 전해질 기술은 아연-공기 배터리, 리튬금속전지, 수소 연료전지 등 다양한 차세대 에너지 소자에 적용되어, 고에너지밀도, 장수명, 고안전성, 유연성 등 미래 에너지 저장 시스템의 패러다임을 혁신하고 있습니다.

본 연구실은 금속-공기 배터리, 연료전지, 수전해 등 다양한 전기화학 에너지 변환 소자의 성능을 좌우하는 고효율 산소 촉매 및 단원자 촉매(Strongly Correlated Single Atom Catalysts, SC-SAC) 개발에 앞장서고 있습니다. 산소 환원/진화 반응(ORR/OER)의 활성 및 내구성을 극대화하기 위해, 구리 인화황화물(CPS), 3D 나노스펀지, 단원자 분산 촉매, 금속-유기 골격체(MOF), 질소/황 도핑 탄소계 촉매 등 다양한 구조와 조성을 설계·합성합니다. 특히, 귀금속(Pt, RuO2) 대체가 가능한 비귀금속 기반 촉매, 금속-프리 촉매, 단원자 촉매의 활성점 제어, 계면공학, 결함공학, 전자구조 조절 등 첨단 소재 설계 전략을 적용합니다. 이들 촉매는 전고체 아연-공기 배터리, 수전해 수소 생산, 연료전지 등에서 세계 최고 수준의 활성(낮은 과전압, 높은 내구성, 넓은 온도 범위 동작)을 입증하였으며, 실제 셀 단위에서의 대용량 스케일업 및 상용화 가능성도 확인하였습니다. 또한, AI 기반 소재 설계, 시뮬레이션, 원자단위 분석 등 융합적 접근을 통해 촉매의 근본적 반응 메커니즘을 규명하고, 차세대 에너지 변환 소자의 효율 및 신뢰성을 극대화하는 원천기술을 확보하고 있습니다. 이러한 연구는 에너지·환경 위기 극복 및 미래 친환경 에너지 사회 실현에 핵심적인 역할을 하고 있습니다.