본 연구실은 리튬이온전지(LIB) 및 리튬금속전지(LMB)에서 성능과 수명을 좌우하는 전해질–전극 계면(SEI/CEI) 형성 메커니즘을 분자 수준에서 규명하고, 이를 바탕으로 기능성 첨가제·용매·염·고체전해질 조성을 설계합니다. 탄산염/에테르계 전해질에서 환원·산화 분해가 어떤 라디칼/중간체를 거쳐 진행되는지, 어떤 분해 산물이 치밀한 계면층을 만들고 어떤 경우에는 가스 발생·저항 증가를 유발하는지를 양자화학 및 제일원리 계산으로 해석하는 접근이 핵심입니다. 이러한 ‘반응 경로 기반 설계’는 단순한 전위/결합에너지 비교를 넘어, 실제 계면에서의 빠른 분해-재조합, 안정한 무기/유기 성분 생성 가능성까지 포함해 실험에서 관측되는 수명·안전성 차이를 설명할 수 있게 합니다. 최근 연구 흐름은 (1) 고니켈 양극(Ni-rich cathode)의 고온 신뢰성 향상을 위한 첨가제/계면 안정화, (2) 리튬금속전지에서 Li+ 용매화 구조(솔베이션 셰스) 제어를 통한 높은 이온전도도와 안정한 계면 형성, (3) 황화물계 아르지로다이트(Argyrodite) 고체전해질의 이온전도 향상으로 요약됩니다. 예를 들어 Li+ 용매화 에너지와 이온전도도의 높은 상관관계를 제시하거나, 고체전해질에서의 음이온 분리(anion segregation)와 Li 이동 경로 주변 전하 분포 변화가 전도도를 어떻게 끌어올리는지와 같은 ‘이론적 지표(descriptor)’를 정립해 소재 스크리닝 속도를 높입니다. 또한 고체전해질의 치환(예: Si 치환)이나 할로겐 혼합(Cl/Br 등)과 같이 실험적으로 시도되는 조성 변화를 전자구조·확산 장벽 관점에서 해석하여, 시행착오를 줄이는 설계 가이드를 제공하는 데 초점을 둡니다. 궁극적으로는 계산 기반 설계-합성-검증의 루프를 통해 저비용·장수명 비리튬계 이차전지(프로젝트: 초저가 50$/kWh급)로 확장 가능한 전해질/전극/계면 솔루션을 제안합니다. 특히 분자동역학(제일원리 동역학 포함), 밀도범함수이론(DFT), 반응열역학과 속도론을 결합하여 ‘왜 특정 분자가 먼저 환원/산화되고, 왜 특정 무기상(Li2CO3 등)이 우세하게 형성되는지’를 예측하고, 그 결과를 실험적 성능 지표(수명, 가스 발생, 저항, 전도도)와 연결합니다. 이러한 접근은 고전압·고에너지 밀도 전지뿐 아니라 고체전지, 나트륨/칼륨/아연 등 대체 이온 전지로도 자연스럽게 확장될 수 있는 범용 설계 프레임워크를 지향합니다.

본 연구실은 그린 수소 생산을 위한 수전해(HER/OER) 촉매와, 에너지 효율을 높이기 위한 ‘대체 산화반응’(예: 하이드라진 산화, 요소 산화 등) 및 페어드 전기분해(paired electrolysis) 시스템을 연구합니다. 촉매 활성은 단순 조성 최적화가 아니라, 활성점의 전자구조(흡착 자유에너지, 반응 중간체 결합 세기), 계면 전하 이동, 기체 방울 거동(초소수/초친수 등)까지 함께 고려하여 설계합니다. 이를 위해 실험적 분광(in situ Raman 등) 결과와 DFT 계산을 결합해 활성종(예: 금속-OOH) 형성과 반응 경로를 교차 검증하고, 구조-활성 상관성을 정량화합니다. 특히 MoS2/WS2 등 전이금속 칼코게나이드(TMD)와 MXene, LDH, 탄화물/질화물 등의 2D·다차원 소재를 기반으로 한 결함공학(공공, 도핑, 상전이)과 이종접합(헤테로인터페이스) 설계가 중요한 축입니다. 예컨대 전이금속 도핑 TMD에서 수소 흡착 자유에너지(ΔGH*) 변화를 지배하는 요인(칼코겐 원자 전하 변화, 구조 변형 에너지)을 체계적으로 분석하고, 이를 머신러닝으로 가속 스크리닝하여 최적 촉매 조합을 제안합니다. 또한 1T/2H 상 공존, S-scheme/Type-II 밴드 정렬, 내장 전기장(built-in field) 유도 등 ‘계면에서의 전하 분리/이동’을 촉진하는 설계를 통해 고활성·고내구 촉매 및 전극(자립형, 고전류 밀도 구동)을 목표로 합니다. 산업 적용 관점에서는 고전류 밀도에서 장시간 안정적으로 작동하는 전극 시스템과, 귀금속 저감 또는 무귀금속 촉매의 내구성 확보가 핵심 과제입니다. 이에 따라 촉매-지지체 상호작용(CMSI), 결함-상전이 유도(예: 셀레나이드→옥사이드 변환), 다차원 전극(0D-1D-2D 결합) 등으로 용출 억제와 전도도/활성점 노출을 동시에 달성하는 전략을 개발합니다. 더 나아가 “양자 시뮬레이터를 이용한 수전해 촉매 계산 연구”와 같은 과제를 통해, 계산 인프라를 고도화하여 촉매 설계의 탐색 공간을 크게 확장하고, 실험 그룹과의 빠른 피드백으로 실질적 성능 개선(과전압 저감, 장기 안정성 향상)을 도모합니다.

연구실은 에너지 소재 연구에서 축적한 2D 나노소재 공학(MXene, MoS2/WS2, rGO 등)을 전기화학/가스 센서로 확장하여, 환경·식품 안전 분야의 실시간 모니터링 기술을 개발합니다. NH3(식품 신선도 지표), 아질산염(수질/식품), 중금속(Cu2+, Hg2+), 항생제(클로람페니콜) 등 다양한 표적 물질에 대해 높은 선택성·저검출한계·습도 내성을 동시에 만족시키는 것이 핵심 목표입니다. 이를 위해 다공성 섬유(전기방사), 레이저 유도 그래핀(LIG), MOF/MXene 복합화, 귀금속/전이금속 나노입자 표면 기능화 등 소재-전극 플랫폼을 통합적으로 설계합니다. 센서 성능을 좌우하는 것은 ‘표면 흡착/전하 이동/촉매 반응’의 균형입니다. 연구실은 이종접합을 통해 전하 이동 경로를 확보하고(예: MXene–TMD–CNT 브리징), 재적층(restacking) 억제로 유효 표면적을 확장하며, 기능기 도입으로 특정 기체/이온에 대한 친화도를 정교하게 조절합니다. 또한 스마트폰 연동 무선 센서와 같은 포인트-오브-케어(POC) 지향 시스템을 통해, 실험실 장비 의존도를 줄이고 현장 적용성을 높이는 방향으로 연구를 전개합니다. 이 과정에서 DFT 등 계산은 표면 흡착 에너지, 결함/도핑의 전자구조 변화, 반응 장벽 등 센서 반응의 근본 원인을 해석하는 도구로 활용됩니다. 응용 측면에서는 ‘현장성’과 ‘신뢰성’이 중요하므로, 반복 사용성·장기 안정성·간섭 물질 내성(anti-interference)·습도 영향 최소화 등을 평가 지표로 삼습니다. 예를 들어 식품 샘플(우유/육류/과일)과 수질 시료에서의 회수율 검증, 장기간(수 주~수십 일) 안정성 테스트, 다양한 유기/무기 간섭종에 대한 선택성 검증을 통해 기술 성숙도를 높입니다. 궁극적으로는 에너지 변환/저장 소재 개발에서 파생된 고기능 나노구조 설계 역량을 센싱·환경 분야로 연결하여, ‘소재 설계–디바이스–데이터 수집’까지 이어지는 융합 연구 플랫폼을 구축하는 것을 지향합니다.