이 연구실은 전기화학 촉매뿐 아니라 리튬이온전지를 포함한 이차전지 소재의 구조-성능 상관관계를 계산화학적으로 규명하는 연구도 수행한다. 특히 스피넬 양극, 니켈 리치 양극, 흑연 및 Si계 복합 음극, 고체전해질 및 전해질 첨가제 등 다양한 배터리 구성 요소를 대상으로 전자구조와 반응성, 안정성, 이온 확산 특성을 분석한다. 이를 통해 더 높은 용량, 더 우수한 수명 특성, 더 안전한 배터리 시스템 설계를 목표로 한다. 프로젝트와 발표 자료를 보면 폐탄소자원 기반 인조흑연 음극재, 흑연-MoS2 복합 음극소재, LiNi0.5Mn1.5O4 스피넬 양극, 고체전해질 기반 배터리, 전해질 첨가제의 계면반응 등 매우 실용적인 주제를 다루고 있다. 이러한 연구는 소재의 원자 배치, 도핑 효과, 표면 반응, 고체전해질계면(SEI) 형성, 충방전 중 구조 안정성 등을 계산적으로 해석하여 실험적 최적화의 방향을 제시한다. 특히 전극-전해질 계면 이해를 통해 초기 효율과 장기 수명 개선에 기여하는 점이 중요하다. 배터리 산업이 고에너지밀도, 자원순환, 저비용 제조를 동시에 요구하는 상황에서, 계산 기반 소재 설계는 개발 속도를 크게 높일 수 있다. 이 연구실의 접근은 신물질 탐색뿐 아니라 재활용 탄소 자원 활용, 고용량 음극 설계, 차세대 셀 개발을 위한 실질적 지침을 제공한다. 향후에는 데이터 기반 탐색과 고처리량 계산을 접목하여 차세대 배터리 소재 발굴의 효율성을 더욱 향상시킬 가능성이 크다.

이 연구실은 양자화학과 계산화학을 바탕으로 물 분해, 산소발생반응(OER), 수소발생반응(HER), 염소발생반응(CER), 이산화탄소 환원반응(CO2RR), 질소환원반응(NRR) 등 다양한 전기화학 반응의 촉매 작동 원리를 원자 수준에서 규명하는 연구를 수행한다. 특히 실제 반응 환경에서 촉매 표면이 어떻게 재구성되고, 어떤 활성점이 형성되며, 반응 중간체와의 결합이 어떻게 반응 속도와 선택성을 좌우하는지를 이해하는 데 초점을 둔다. 이는 고활성·고선택성·고안정성 촉매를 합리적으로 설계하기 위한 기초 원리를 제공한다. 주요 방법론으로는 밀도범함수이론(DFT), 제일원리 계산, 반응 경로 분석, 표면 및 계면 모델링, 전하 이동 및 결합 특성 해석 등이 활용된다. 연구실의 논문과 학술발표 주제를 보면 전이금속 산화물, 옥시수산화물, 단일원자 촉매, 금속-유기구조체(MOF), 층상 구조 촉매 등 다양한 물질군에 대해 계산 기반 설계를 수행하고 있으며, 촉매 표면 구조 변화와 반응 메커니즘을 정밀하게 해석하고 있다. 또한 실험 연구와 연계하여 계산 결과를 촉매 성능 향상 전략으로 연결하는 접근도 두드러진다. 이 연구는 그린수소 생산, 탄소중립형 전기화학 공정, 차세대 에너지 전환 기술의 핵심 기반이 된다. 단순히 계산 결과를 제시하는 데 그치지 않고, 실제 산업 적용 가능성이 있는 촉매 조성 및 구조를 제안한다는 점에서 응용 가치가 크다. 향후에는 보다 현실적인 전위, 전해질, 계면 전기장, 용매 효과를 포함한 고도화된 계산 모델을 통해 실사용 조건에 가까운 촉매 예측 및 가속 탐색 플랫폼으로 확장될 가능성이 높다.

연구실의 핵심 축 가운데 하나는 그린수소 생산을 위한 수전해 시스템의 전극-전해질 계면을 이해하는 것이다. 수전해 효율은 촉매 자체의 고유 활성뿐 아니라 계면에서의 전하 분포, 흡착종 배열, 물 분자의 재배향, 이온 이동, 국소 전기장 등 복합적인 요인의 영향을 받는다. 따라서 연구실은 실제 수전해 환경을 반영한 전기화학 계면 구조를 계산적으로 구현하고, 계면 특성이 반응 활성과 안정성에 미치는 영향을 체계적으로 해석하고자 한다. 관련 국가과제에서도 드러나듯이, 이 연구실은 현실적인 반응 조건 하에서 전극-전해질 계면을 모사할 수 있는 고차원 전산 방법론 개발에 중점을 두고 있다. 단순 진공 표면 모델을 넘어서 용매 효과, 전해질 조건, 흡착 경쟁, 표면 재구성, 활성점 변화 등을 고려하는 정교한 모델이 필요하며, 이를 통해 HER과 OER의 반응 장벽, 중간체 안정화, 선택성 변화를 보다 정확히 예측한다. 학회 발표 주제들 역시 니켈 기반 옥시수산화물, 갈륨 기반 촉매, 산화주석, 산화이리듐 등 수전해 관련 촉매의 활성과 선택성 이해에 집중되어 있다. 이러한 계면 중심 연구는 수전해 장치의 에너지 효율 향상뿐 아니라 장기 안정성 확보에도 중요하다. 고전류밀도 운전 조건에서 발생하는 촉매 열화, 표면 상변화, 부반응 촉진 문제를 사전에 예측하고 설계 단계에서 대응할 수 있기 때문이다. 장기적으로는 그린수소 생산 공정의 경제성을 높이고, 대규모 재생에너지 연계형 수소 생산 기술 개발에 기여할 수 있는 기반 연구로서 의미가 크다.