최남순 연구실의 핵심 축 가운데 하나는 리튬 금속전지의 성능과 안전성을 동시에 향상시키기 위한 전해질 설계와 계면공학이다. 리튬 금속 음극은 매우 높은 이론용량을 제공해 차세대 고에너지밀도 전지의 유력 후보로 평가되지만, 실제 구동에서는 수지상 리튬 형성, 낮은 쿨롱 효율, 계면 불안정성, 고전압 조건에서의 전해질 분해 같은 문제가 반복적으로 발생한다. 연구실은 이러한 병목을 단순한 소재 치환이 아니라 전해질 분자 구조, 용매화 환경, 첨가제 반응성, 전극 표면 보호층 형성 메커니즘의 통합 설계로 해결하고자 한다. 특히 연구실은 약하게 용매화되는 액체 전해질, 부분 용매화 전해질, 고농도 및 국소 고농도 전해질, 기능성 유기·무기 첨가제를 활용해 안정적인 SEI와 CEI를 구축하는 데 강점을 보인다. 논문에서는 넓은 온도 범위에서 동작 가능한 리튬 금속전지용 전해질, 고전압 구동이 가능한 전해질 조성, nano-Si3N4와 같은 첨가제를 이용한 전극-전해질 계면 동시 제어 기술이 제시되었다. 이러한 접근은 리튬 이온의 용매화 구조를 정교하게 제어해 전해질 분해 경로를 유도하고, 무기질이 풍부한 보호층 형성, HF scavenging, 전하 전달 균일화, 리튬 석출 형태 제어로 이어진다. 이 연구는 단순히 실험실 수준의 수명 향상에 그치지 않고, 고전압·고율·광온도 범위라는 실제 응용 조건에서 안정적으로 작동하는 차세대 전지 플랫폼 구축으로 확장되고 있다. 현재 수행 중인 5V급 고전압 전해질, SMART-LEA 플랫폼, 1000Wh/L급 고안전 리튬금속전지 과제는 연구실이 기초 전기화학 메커니즘 규명과 산업 지향형 셀 기술 개발을 동시에 추구하고 있음을 보여준다. 결과적으로 이 주제는 전해질 화학과 계면반응을 정밀 설계해 리튬 금속전지의 상용화 난제를 해결하는 연구실의 대표 분야라고 할 수 있다.

연구실의 또 다른 대표 분야는 고에너지밀도 리튬이온전지에서 전극-전해질 계면을 안정화하기 위한 기능성 전해질 첨가제 개발이다. 니켈 함량이 높은 양극, 고전압 구동 조건, 급속충전 환경에서는 전해질 산화 분해와 가스 발생, 전이금속 용출, 흑연 및 실리콘 음극의 계면 열화가 빠르게 진행된다. 연구실은 이러한 문제를 해결하기 위해 산화 분해형, 환원 분해형, 반응형 첨가제를 체계적으로 설계하고, 하나의 첨가제가 여러 기능을 수행하는 다기능성 분자 설계 전략을 발전시켜 왔다. 대표 논문인 fluorinated malonatoborate 기반 첨가제 연구는 리튬 풍부 양극과 흑연계 음극 양쪽에서 동시에 보호층을 형성하는 양쪽성 첨가제 개념을 제시했다. 이 밖에도 HF와 PF5 제거, 가스 scavenging, 니켈 이온 킬레이션, 열안정성 향상, 고온·고전압 구동 안정화 등 실제 셀 열화 원인을 직접 겨냥한 첨가제 설계가 다수의 논문과 학회 발표에서 확인된다. 연구실은 첨가제 분자의 전자구조와 분해 반응, 계면 생성물의 조성, 양극 CEI와 음극 SEI의 동시 최적화를 연결하여, 단순한 성능 향상이 아니라 작동 원리 기반의 첨가제 설계 규칙을 축적하고 있다. 이 연구는 전기차용 고율충전 전지, 고출력 원통형 셀, 고니켈 양극 기반 상용 셀의 내구성과 안전성 확보에 직접적인 의미를 갖는다. 관련 특허와 산학 과제에서 볼 수 있듯, 연구실은 첨가제 분자 설계에서 시작해 셀 성능 검증과 상용 공정 적용 가능성까지 고려하는 연구를 수행한다. 따라서 이 주제는 고에너지밀도 리튬이온전지의 성능, 수명, 안전성의 균형을 달성하기 위한 실용 지향형 전해질 화학 연구로 정리할 수 있다.

최남순 연구실은 리튬계 전지를 넘어 나트륨이온전지와 해수전지 분야에서도 전해질과 계면반응을 중심으로 독창적인 연구를 전개하고 있다. 나트륨은 자원 풍부성과 비용 경쟁력 측면에서 대규모 에너지저장장치에 적합하지만, 리튬 대비 큰 이온 반경과 낮은 계면 안정성 때문에 고에너지밀도화와 장수명 구현이 쉽지 않다. 연구실은 이러한 한계를 소재 자체보다 전해질 조성과 계면 생성 반응을 정밀하게 제어하는 방식으로 극복하고자 한다. 특히 fluorine-free 전해질을 이용한 안정적 나트륨 금속 음극 및 고출력 해수전지 연구는 환경성, 비용, 안전성을 동시에 고려한 접근이라는 점에서 의미가 크다. NaBH4/glyme 계열 전해질을 통해 금속 나트륨 표면의 native oxide를 NaH 기반 SEI로 재구성하는 전략은, 계면 재구성이 전지 성능을 근본적으로 좌우한다는 연구실의 철학을 잘 보여준다. 또한 다수의 특허와 프로젝트에서는 탄산염계, 포스파이트계, FEC 기반 전해질, 고전압 양극용 전해질 조성 제어 등 나트륨계 전지에 특화된 전해질 화학을 폭넓게 다루고 있다. 이 분야는 재생에너지 연계 ESS, 대용량 저장 시스템, 해양 기반 전력 시스템과 같이 가격 경쟁력과 자원 지속가능성이 중요한 응용 분야에서 매우 큰 파급효과를 가진다. 현재 수행 중인 한미 국제협력 과제 역시 고전압 양극과 전해질 원천기술 개발을 목표로 하며, 연구실이 글로벌 수준에서 나트륨계 전지의 난제를 해결하려는 방향을 보여준다. 결국 이 주제는 리튬 대체형 차세대 저장기술을 위해 전해질과 계면을 새롭게 설계하는 확장형 배터리 연구 분야라 할 수 있다.