본 프로젝트는 차세대 에너지 저장 장치로 주목받는 리튬-황(Li–S) 배터리와 전고체 배터리(All-solid-state battery)의 기술적 한계를 극복하고, 고에너지 밀도·고안정성 배터리 플랫폼을 구축하는 것을 목표로 합니다. Li–S 배터리는 기존 리튬이온 배터리 대비 높은 이론 에너지 밀도(약 2600 Wh/kg)와 **풍부한 원재료(황)**라는 장점에도 불구하고, ▲다단계 전기화학 반응에서의 폴리설파이드 용출, ▲비균일한 방전 생성물 침전, ▲전해질과의 부반응에 따른 황 손실 및 수명 저하 등의 문제로 실제 응용에 제약이 있습니다. 이에 우리 연구실은 다음과 같은 다각적인 접근을 통해 문제 해결을 시도하고 있습니다: 황의 확산 및 손실 억제를 위한 나노구조 탄소 전극 소재 개발 촉매 기능 도입 전극 설계를 통해 전기화학 반응의 선택성과 반응 속도 조절 반도체 공정 기반의 정밀 합성 전략과 건식 나노입자 코팅 기술을 접목하여, 전극 계면 반응의 균일성 및 안정성 향상 소재의 구조적·화학적 안정성 강화를 통해 충방전 효율 및 수명 개선 더불어, 액체 전해질 기반 시스템의 누액 위험성과 계면 불안정성을 근본적으로 해결하기 위해, 고체 전해질을 적용한 전고체 배터리 시스템을 병행 개발 중입니다. 고체 전해질과 전극 사이의 계면 안정성 확보 및 리튬 이온 전도성 향상을 위한 계면 조절 기술과 맞춤형 구조 설계를 통해, 장기 안정성과 고에너지 밀도를 동시에 달성할 수 있는 플랫폼 구축을 지향합니다. 본 연구는 배터리 소재 및 공정 기술 전반을 포괄하는 융합적 접근을 통해, 고성능 이차전지 상용화의 핵심 장애 요인을 극복할 수 있는 원천 기반 기술을 제공할 것으로 기대됩니다.

본 연구는 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 전기화학적 에너지 전환 기술을 기반으로, 고효율 수소 생산, 탄소자원화, 그리고 전력–화학 융합형 시스템 구현을 위한 핵심 촉매 및 반응 시스템 개발에 중점을 두고 있습니다. 우리 연구실은 나노스케일에서 반응 중심을 정밀하게 제어할 수 있는 전기화학 촉매 설계를 통해, 다양한 에너지 전환 반응의 활성, 선택성, 안정성을 동시에 향상시키는 것을 목표로 하고 있습니다. 먼저, 물 분해 반응(HER: 수소 발생 반응, OER: 산소 발생 반응)을 통한 고효율 수소 생산을 위해, 단일 원자 촉매(Single-Atom Catalysts, SACs) 및 이종계면(Heterointerface) 기반 촉매 구조를 설계하고 있으며, 산성 및 염기성 반응 환경 모두에서 높은 반응 활성과 장기 안정성을 구현하고자 합니다. 또한, 이산화탄소(CO₂) 및 메탄(CH₄)의 전기화학적 전환 반응을 통해 연료 및 고부가가치 화합물을 생산하는 탄소자원화 반응 시스템도 개발하고 있습니다. 이를 위해, 촉매의 전자구조 조절, 반응 경로의 선택적 제어, 계면 반응 속도론 조절 등에 중점을 두고, 반응 효율과 생성물 선택성을 정밀하게 제어하는 기술을 구현하고 있습니다. 이러한 촉매 및 시스템 개발은 계산화학 기반 설계와 operando 분석 기법(실시간 반응 분석)을 병행하여, 반응 메커니즘을 정량적으로 규명하고 그 결과를 다시 소재 설계에 반영하는 이론-실험 연계형 접근법으로 진행됩니다. 본 연구는 전기화학 기반의 청정에너지 전환 기술 구현에 필수적인 고활성·고안정 촉매 시스템 개발을 통해, 실제 응용 가능한 탄소중립형 에너지 시스템 플랫폼 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.

본 프로젝트는 기존 용액 기반 코팅 공정의 한계인 나노입자의 응집 및 코팅 균일도 저하 문제를 극복하기 위한, 건식 탄소나노튜브(CNT) 기반 나노입자 코팅 기술을 개발하는 것을 목표로 합니다. 문 교수 연구팀은 용액을 전혀 사용하지 않는 건식 탄소열 환원 공정을 활용하여, CNT 표면에 균일한 산화막을 증착한 후 열처리를 통해 고밀도의 산화물 나노입자를 형성하는 기술을 구현하였습니다. 이 기술은 공정 전반에서 나노입자의 응집 현상을 방지하며, 높은 균일도와 코팅 밀도를 확보할 수 있는 것이 핵심입니다. 해당 기술은 리튬-황(Li-S) 전지의 양극 소재로 적용되어 우수한 성능을 입증하였습니다. 실험 결과, 최대 10.7 mAh/cm²의 면적당 용량을 구현하였으며, 이는 기존 기술 대비 2.5배 이상 향상된 에너지 밀도에 해당합니다. 이 성과는 Chemical Engineering Journal (2024년 9월 게재)에 등재되어 기술적 완성도와 응용 가능성을 인정받았습니다. 본 기술은 고밀도 이차전지 소재 외에도, 촉매, 센서, 전자소자 등 다양한 고기능성 표면개질 응용분야로 확장될 수 있는 범용성과 파급력을 갖춘 원천 기술입니다.