이 연구 주제는 리튬이온전지의 에너지밀도를 크게 높이기 위한 차세대 음극소재 개발에 초점을 둔다. 특히 흑연의 안정성과 실리콘의 높은 이론용량을 결합한 실리콘-흑연 복합체 설계를 통해, 기존 흑연 음극의 한계를 넘으면서도 실제 산업 적용이 가능한 수준의 공정성과 수명 특성을 동시에 확보하는 것을 목표로 한다. 연구실의 대표 논문과 특허에서는 실리콘 나노층이 내재된 흑연 구조, Si 기반 복합 음극 활물질, 그리고 이들의 대면적 합성 가능성이 반복적으로 제시되며, 이는 연구실의 핵심 정체성을 잘 보여준다. 실리콘은 충·방전 과정에서 큰 부피 팽창이 발생하여 전극 붕괴, 전기적 접촉 손실, 불안정한 고체전해질계면 형성 등의 문제를 일으킨다. 이를 해결하기 위해 연구실은 실리콘을 나노구조화하거나 흑연 내부 또는 표면과 복합화하는 구조 설계를 수행하고, 금속 또는 탄소 기반 보강층을 도입하여 기계적 안정성을 향상시키는 접근을 취한다. 특히 실리콘 나노레이어 내재 흑연, Fe-Cu-Si 삼원계 복합체, CNT 및 그래핀 나노플레이트와의 복합화 등은 전극 밀도와 수명 특성을 함께 고려한 실용적 전략으로 해석된다. 이 연구는 전기자동차용 고에너지 배터리, 급속충전 시스템, 전고체전지용 고용량 음극 등으로 확장 가능성이 크다. 단순히 높은 초기 용량을 얻는 데 그치지 않고, 실제 셀 수준에서의 장기 사이클 안정성, 높은 전극 밀도, 제조 확장성까지 반영한다는 점에서 산업적 가치가 높다. 향후에는 전고체 환경에서의 계면 안정화, 실리콘 함량 최적화, 전극 집전체 및 전해질과의 상호작용 정밀 제어를 통해 더 높은 수준의 상용화 연구로 이어질 가능성이 크다.

이 연구 주제는 배터리 전극의 기계적 안정성, 전기전도성, 공정 적합성을 동시에 향상시키기 위한 피치 기반 소재 설계에 관한 것이다. 연구실은 석유계 피치를 단순한 저가 탄소원으로 보지 않고, 전극 코팅층, 도전재, 바인더 전구체로 재해석하여 리튬이차전지용 전극 소재의 성능을 높이는 방향으로 연구를 확장하고 있다. 관련 논문에서는 피치를 이용해 실리콘 복합 음극의 부피 팽창을 완화하는 전략이 제시되었고, 국가과제에서는 피치 기반 도전재바인더 제조와 슬러리화 기술까지 포함한 응용 연구가 수행되었다. 피치는 열처리와 구조 제어를 통해 장거리 흑연질 정렬과 우수한 기계적 강도를 가질 수 있어, 충·방전 시 발생하는 실리콘계 음극의 균열과 분해를 완화하는 데 유리하다. 또한 질소 도핑, 탄화 조건 조절, 분쇄 및 슬러리화 공정 최적화를 통해 전기전도도와 전극 내 분산성을 향상시킬 수 있다. 이러한 접근은 단순한 소재 합성에 머무르지 않고, 실제 전극 제조공정과 연계된 점에서 강점이 있으며, 산업계와의 공동연구로 이어지는 응용성이 크다. 이 연구의 중요성은 고에너지밀도 전지를 구현하는 데 필요한 전극 보조재 기술을 국산화하고, 고가의 기존 첨가제를 대체할 수 있는 실용적 소재 플랫폼을 제시한다는 데 있다. 특히 실리콘계 음극, 고밀도 전극, 급속충전용 전극 설계에서 피치 기반 탄소 재료는 가격 경쟁력과 공정 호환성을 동시에 제공할 수 있다. 향후에는 전고체전지용 복합전극, 고전압 양극용 탄소 코팅, 친환경 전극 공정과 결합된 차세대 전극 설계로도 확장될 수 있다.

이 연구 주제는 사용 후 리튬이차전지에서 회수한 양극소재를 단순 재활용하는 수준을 넘어, 성능을 회복하거나 더 높은 부가가치의 소재로 전환하는 업사이클링 기술 개발에 관한 것이다. 연구실은 폐전지 해체 과정의 안전성 확보, 전처리 공정 최적화, 재결정화를 통한 구조 복원, 그리고 고전압 양극소재로의 전환 가능성까지 포괄적으로 다루고 있다. 이는 배터리 산업의 성장과 함께 급증하는 폐전지 문제에 대응하는 순환경제형 에너지소재 연구로 볼 수 있다. 세부적으로는 DOD 제어를 통한 부동태 피막 조절, 바인더 및 도전재 제거, 재결정화 가능한 양극 분말 확보, 불순물 제거와 조성 보정, 그리고 고전압 작동이 가능한 구조 재설계가 핵심 기술 요소이다. 학술발표 내용에서도 열화된 고니켈 양극의 재구성, 이온교환을 통한 불순물 제거, Na 도핑 전략 등 성능 회복과 구조 안정화를 위한 다양한 방법론이 확인된다. 이는 단순한 금속 회수 중심의 재활용을 넘어서, 전기화학 성능을 회복한 기능성 소재로 되돌리는 고도화된 접근이다. 이 연구는 자원 안보와 환경성 측면에서 매우 중요하다. 니켈, 코발트, 리튬과 같은 핵심 금속의 재활용 효율을 높일 뿐 아니라, 고비용의 신규 양극 합성 공정을 일부 대체할 수 있어 경제성도 높다. 나아가 배터리 제조-사용-회수-재제조로 이어지는 순환형 공급망 구축에 기여하며, 향후 전기차 폐배터리, ESS 폐전지, 고니켈 및 고전압 양극의 대규모 재생공정으로 확장될 가능성이 크다.