이 연구는 고에너지 밀도와 고안정성을 동시에 구현할 수 있는 차세대 전고체 리튬-황 전지 기술을 확보하기 위해, 유럽의 선진 연구기관들과의 국제 공동연구 네트워크를 구축하고, 이를 바탕으로 2025년 Horizon Europe 프로그램에 연구과제를 제안하는 것을 최종 목표로 한다. 전고체 리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지 대비 약 2배 수준의 에너지 밀도(500 Wh/kg)를 구현할 수 있는 유력한 미래형 배터리 기술로, 이를 구현하기 위해 황 기반 고용량 양극재, 높은 이온전도성과 전기화학적 안정성을 갖춘 고체 전해질, 그리고 양극/전해질 계면에서의 안정성 확보가 핵심 과제로 설정되었다. 연구는 세 단계로 진행되며, 1단계에서는 한국·유럽 간 소재 합성과 분석 기술을 공유하면서 전고체 리튬-황 전지의 핵심 연구영역과 구체적인 기술 과제를 도출하였고, 고분자 전해질의 이온 거동 메커니즘, 계면 특성 분석, 그리고 프로토타입 셀 제작에 이르기까지 포괄적인 공동연구 프레임워크를 설계하였다. 2단계에서는 연구진 간 상호 기술 교류 및 협업 네트워크를 확립하고, 역할 분담과 연구목표 정립을 통해 향후 공동 연구의 실행 기반을 마련하였다. 마지막으로 3단계에서는 이 네트워크를 바탕으로 Horizon Europe 연구제안서를 공동 작성하여 유럽연합 공식 과제로의 진입을 추진한다. 본 연구의 기대효과는 학술적·산업적 측면에서 모두 뚜렷하다. 계면 안정성과 황 전환 메커니즘 등 그간 상대적으로 간과되어 온 영역에 대한 정량적 분석은 고성능 리튬-황 전지 개발의 이론적 기초를 확립하고, 학술적 네트워크를 확장하는 계기를 제공한다. 동시에, 각국의 지재권 전략과 산업체 네트워크를 활용하여 기술이전 및 상용화 가능성을 높임으로써, 리튬-황 전지 시장이 본격적으로 형성되었을 때 선도적 위치를 확보할 수 있다. 이와 같은 한-EU 공동 연구는 ‘차세대 이차전지’ 및 ‘첨단 모빌리티’ 등 국가 전략기술 분야의 글로벌 기술 격차를 좁히는 데 기여하며, 세계 최고 수준의 전고체 리튬-황 전지 기술로의 도약을 가능하게 할 것이다.

이 연구는 고분자 표면에 금속산화물을 코팅한 복합구조에서 탄화 시 발생하는 압축응력과 계면 부착력을 정밀하게 제어하여, 다양한 형태의 나노기공 구조를 갖는 탄소재료를 합성하는 새로운 원리를 제안하고, 이를 활용하여 리튬-황 전지와 같은 차세대 에너지 저장장치에 적용 가능한 고성능 전극 소재를 개발하는 데 그 목적이 있다. 연구진은 고분자 파이버 웹과 3D 포토레지스트 패턴을 전기방사 및 광간섭 리소그래피 등으로 형성하고, 이를 기상증착 공정을 통해 균일한 금속산화물로 코팅한 후, 탄화 반응을 유도하여 응력-부착력 평형에 따라 형성되는 독특한 다공성 탄소구조를 제작하였다. 다양한 계면 개질 기법(자기조립 단분자, 그래프팅 고분자 등)을 통해 금속산화물과의 친화력을 조절하고, 탄소전환율 및 구조적 안정성을 극대화하였다. 이후, 이 탄소구조의 전기화학적 특성을 순환전압전류법, 임피던스 분석 등으로 평가하고, 전기화학 활성 부위를 극대화하기 위해 금속산화물 나노입자와의 복합화를 통해 산화환원 반응성을 향상시켰다. 제작된 연결형 탄소구조는 기존의 입자 기반 필름과 비교해 전자 이동성과 기공 내 활물질 분산 측면에서 뛰어난 성능을 나타냈으며, 리튬-황 전지 양극재로 적용한 결과 10C 조건에서도 500 mAh/g의 고속 충방전 성능을 확보하였다. 또한 다양한 나노기공 구조의 담지 특성, 황-전환 반응 메커니즘은 실험 분석과 함께 DFT 계산을 통해 정밀하게 해석되었다. 본 연구는 새로운 기공 형성 원리를 바탕으로 고성능 탄소소재의 구조적·전기화학적 최적화를 달성했으며, 향후 고속 충전이 가능한 차세대 리튬전지 시장에서 상업화를 위한 양산 기술 확보와 함께 전지 소재 분야의 기술 선도에 크게 기여할 것으로 기대된다.

이 연구는 산업 공정에서 배출되는 오프가스 내 C1 계열 가스(CO, CO₂ 등)를 고부가가치 화합물로 전환하기 위한 융복합 기술과 이를 산업 규모로 확장 가능한 기반 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 구체적으로는 산화/환원 전위 기반 전기화학 촉매 시스템을 통해 오프가스와 CO₂를 선택적으로 전환하고, 고효율 반응기 설계와 공정 최적화를 통해 생산성과 선택도를 극대화하는 기술을 개발하였다. 이산화탄소 흡착을 위한 다공성 코아세르베이트 복합체 합성과 더불어 유기산 및 알코올 합성을 위한 촉매 개발, 촉매 분석법, 저온 플라즈마 기반 반응기 기술 등 다양한 고도화 기술이 통합적으로 연구되었다. 또한 저온 저압 조건에서도 활성화가 가능한 카보닐화 촉매, 락톤 생성 촉매, 루이스산 촉매 기술 등이 포함되어 전체 공정의 에너지 효율성을 높였다. 이 기술은 CO를 생분해성 고분자의 원료인 락톤으로 전환할 수 있어, 이를 활용한 아크릴산 및 숙신산 유도체 생산과 폴리에스터 계열 친환경 고분자 제조로 이어질 수 있다. 더불어, 다양한 혼합가스를 동시에 변환 가능한 전기·생물 융복합 기술은 프로필렌 옥사이드 기반의 MMA 생산, THF와 푸란 기반의 카보닐화 반응 등으로 확장될 수 있으며, 이는 국가 소재·화학산업의 경쟁력 강화를 도모한다. 폐플라스틱 열분해 후 발생하는 CO, H₂, light olefin을 다시 자원화하는 순환형 소재화 전략 또한 가능해진다. 산업적으로는 철강, 정유, 석유화학 등에서 배출되는 부생가스를 고부가가치 화합물로 전환함으로써 탄소 배출 저감과 함께 탄소배출권 거래 등에서 경제적 이득도 창출할 수 있으며, 이러한 기술은 탄소중립 및 지속가능한 화학공정 전환에 필수적인 혁신기술로 평가받는다.

이 연구는 기존의 소형 실험 수준에서 입증된 전기화학 기반 메탄 전환 기술을 실증 규모로 확대하여, TRL 6 수준의 고안정성·고효율 연속 반응 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다. 전기화학적 메탄 전환 기술은 비교적 낮은 온도와 압력 조건에서도 고선택적으로 알코올류와 같은 유용 화합물을 생성할 수 있는 친환경 기술로, 태양전지와 결합할 경우 무전력 운전이 가능한 지속가능한 메탄 처리 시스템으로의 확장이 가능하다. 본 과제에서는 상용 코팅 공정을 이용한 대면적 전극 제조기술을 개발하여 고분자 바인더 조절을 통해 촉매층의 기계적 안정성과 부착성을 확보하고, 고효율 메탄 전환 전기화학촉매의 대량합성과 함께 특허 포트폴리오를 구축하였다. 이어 수 리터급 반응기에서 메탄 전환 특성을 실험하고, 촉매의 두께 및 면적, 전류 밀도 등 다양한 운전 조건 하에서 최적화된 전극 및 반응 조건을 도출하였다. 실증 반응기의 설계 및 운영 과정에서는 메탄의 용해도를 고려한 전처리 시스템과, 직렬/병렬 방식의 다중 반응기 시스템을 도입하여 실제 축사나 매립지 혐기조 등에서 1개월 이상 메탄 제거율 80% 이상을 유지하는 안정적 운전 성능을 확보하였다. 이 기술은 전기화학적 반응을 통해 온실가스인 메탄을 저감하면서 동시에 고부가 화학물질로 전환할 수 있어, 탄소중립 및 재생에너지 기반의 친환경 공정으로서 높은 잠재력을 지닌다. 실증 시스템을 통해 확보된 운전 매뉴얼과 설계 기준은 참여기업의 기술이전 및 상업화에 실질적인 기반이 되며, 향후 온실가스 처리 분야에서의 국내 기술 경쟁력 제고와 글로벌 시장 진입 가능성을 확대할 것으로 기대된다.