smel
에너지화학공학과 강석주
스마트 에너지 소재 연구실(SMEL)은 에너지 저장 및 변환을 위한 첨단 소재와 차세대 전지 시스템 개발에 집중하는 융합 연구실입니다. 본 연구실은 유기 및 무기 기능성 소재, 저차원(2D) 소재, 바이오매스 기반 소재 등 다양한 신소재를 설계·합성하여, 금속-공기 전지, 해수전지, 알칼리 이온 배터리, 플렉서블 전자소자 등 미래형 에너지 시스템에 적용하고 있습니다.
특히, 금속-공기 및 해수전지 분야에서는 고효율 촉매, 전극 집전체 표면 제어, 전해질 시스템 혁신 등 실질적 상용화를 위한 핵심 기술을 개발하고 있습니다. 나트륨, 리튬 등 알칼리 금속 기반의 음극 소재와, 해수 또는 산소를 활용한 양극 반응 시스템을 통해, 고에너지 밀도와 친환경성을 동시에 추구합니다. 또한, 전극-전해질 계면 안정화, 패시베이션, 촉매의 구조-성능 상관관계 규명 등 기초와 응용을 아우르는 연구를 수행합니다.
유기 및 무기 기능성 소재 기반의 유연 전자소자 연구도 활발히 이루어지고 있습니다. 유기전자재료, 저차원 소재, 고분자 및 나노섬유 등 다양한 신소재를 활용하여, 플렉서블 메모리, 태양전지, 압전 센서, 투명 전극 등 차세대 전자소자 개발에 앞장서고 있습니다. 소재의 결정성, 계면 특성, 하이브리드화 등 미세구조 제어를 통해, 전기적·기계적 특성 및 내구성을 극대화하고 있습니다.
알칼리 이온 배터리 분야에서는 유기·무기 하이브리드 전극, 고체 및 용융염 전해질, 기능성 바인더, MOF 등 혁신적 소재를 도입하여, 고용량·고출력·장수명·고안정성 배터리 시스템을 구현하고 있습니다. 소재 합성-구조 분석-전기화학 평가-이론 계산을 통합적으로 수행하며, 실시간 분석 및 시뮬레이션을 통해 소재-소자-시스템의 상호작용을 심층적으로 규명합니다.
이러한 연구는 전기차, 에너지 저장장치, 웨어러블 디바이스, 친환경 해양 전력공급 등 다양한 미래 산업에 적용될 수 있으며, 소재-소자-시스템 통합 혁신을 선도하고 있습니다. 연구실은 실험과 이론, 소재와 소자, 기초와 응용을 융합하는 연구 역량을 바탕으로, 세계적인 에너지 소재 및 전지 분야의 선도적 연구실로 자리매김하고 있습니다.
Li-ion Batteries
Seawater Batteries
Metal-Gas Batteries
차세대 이차전지용 금속-공기 및 해수전지 개발
스마트 에너지 소재 연구실은 금속-공기 전지와 해수전지 등 차세대 이차전지 개발에 주력하고 있습니다. 금속-공기 전지는 리튬, 나트륨 등 알칼리 금속을 음극으로 사용하고, 산소 또는 해수를 양극 반응물로 활용하여 기존 리튬이온전지 대비 높은 에너지 밀도와 친환경성을 동시에 추구합니다. 특히, 금속-가스(예: Li-O2, Na-O2, CO2) 전지의 핵심은 새로운 전극 소재와 전해질 시스템의 개발에 있으며, 연구실에서는 탄소 소재의 표면 패시베이션, 용융염 전해질, 고효율 촉매 개발 등 다양한 혁신적 접근을 시도하고 있습니다.
해수전지 분야에서는 나트륨 금속의 안정적 도금 및 스트리핑, 전극 집전체의 표면 제어, 전극-전해질 계면 안정화 등 실질적인 상용화를 위한 핵심 기술을 연구합니다. 예를 들어, 전극 집전체의 표면 에너지 제어를 통한 나트륨 금속의 패턴 성장, 탄소 부식 억제를 위한 티타늄 카바이드(TiC) 코팅, 바이오매스 유래 촉매 및 고분자 바인더 개발 등 다양한 소재 공학적 전략을 도입하고 있습니다. 또한, 해수전지의 장수명화와 고출력화를 위한 전극/전해질/촉매의 상호작용 메커니즘을 실시간 분석기법과 이론적 계산을 통해 심층적으로 규명하고 있습니다.
이러한 연구는 에너지 저장 시스템의 새로운 패러다임을 제시하며, 재생에너지 저장, 친환경 해양 전력공급, 미래형 전기차 및 대용량 ESS 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있습니다. 연구실은 소재 합성, 전지 셀 설계, 전기화학적 평가, 실시간 분석 및 시뮬레이션 등 융합적 연구 역량을 바탕으로 세계적인 경쟁력을 확보하고 있습니다.
유기 및 무기 기능성 소재 기반의 유연 전자소자 및 에너지 저장 기술
본 연구실은 유기 및 무기 기능성 소재를 활용한 유연 전자소자와 에너지 저장 기술 개발에 집중하고 있습니다. 유기전자재료, 저차원(2D) 소재, 고분자 및 나노섬유 등 다양한 신소재를 설계·합성하여, 플렉서블 메모리, 태양전지, 트랜지스터, 압전 센서 등 차세대 전자소자에 적용하고 있습니다. 특히, 유연 박막 소자 구현을 위해 자가조립, 이종접합(heterostructure) 형성, 결정성 제어, 나노패터닝 등 첨단 공정기술을 적극적으로 도입하고 있습니다.
예를 들어, 키틴 나노섬유, 바이오매스 유래 고분자, 컨투어드 헥사벤조코로넨(cHBC) 등 친환경·고성능 소재를 기반으로 한 투명·유연 압전 필름, 고효율 유기 음극, 고체 고분자 전해질 등이 대표적 연구 성과입니다. 또한, 그래핀, 보론 나이트라이드, 페로일렉트릭 고분자 등 저차원 소재와의 하이브리드화 및 이종접합 소자 제작을 통해, 전기적·기계적 특성과 내구성을 동시에 향상시키는 연구를 수행하고 있습니다.
이러한 소재 및 소자 연구는 차세대 웨어러블 디바이스, 바이오센서, 스마트 에너지 하베스팅, 투명 전극, 플렉서블 메모리 등 다양한 미래 산업에 적용될 수 있습니다. 연구실은 소재 설계-합성-소자화-특성평가의 전주기적 연구 체계를 갖추고, 실험과 이론·시뮬레이션을 융합하여 소재-소자-시스템 통합 혁신을 선도하고 있습니다.
알칼리 이온 배터리용 유기·무기 하이브리드 전극 및 전해질 시스템
스마트 에너지 소재 연구실은 리튬이온, 나트륨이온, 칼륨이온 등 다양한 알칼리 이온 배터리의 차세대 전극 및 전해질 소재 개발에 집중하고 있습니다. 유기 분자 기반 음극(예: 컨투어드 헥사벤조코로넨, cHBC), 유기-무기 코크리스탈, 고결정성 고분자, 질소 도핑 탄소 등 혁신적 소재를 설계하여, 기존 흑연 음극의 한계를 극복하고 고용량·고출력·장수명 특성을 구현하고 있습니다. 또한, 금속-유기 프레임워크(MOF), 바이오매스 유래 탄소, 기능성 고분자 바인더 등 다양한 하이브리드 소재를 도입하여 전극의 전기화학적 안정성과 계면 특성을 극대화합니다.
전해질 분야에서는 용융염, 고체 고분자 전해질, 수계 및 비수계 전해질 등 다양한 시스템을 연구하며, 이온 전도도, 계면 안정성, 저온/고온 특성, 가스 발생 억제 등 실질적 문제 해결에 중점을 두고 있습니다. 예를 들어, 페로일렉트릭 고분자 기반 고체 전해질의 수평 원심주조법 개발, 금속 이온 킬레이팅 젤 전해질, 가스·산성물질 스캐빈저 첨가제 등 다양한 혁신적 접근을 시도하고 있습니다.
이러한 연구는 고에너지 밀도, 고안정성, 친환경성, 저비용 등 차세대 이차전지의 핵심 요구를 충족시키며, 전기차, 에너지 저장장치, 웨어러블 디바이스 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있습니다. 연구실은 소재 합성-구조 분석-전기화학 평가-이론 계산을 통합적으로 수행하여, 배터리 소재 및 시스템 혁신을 선도하고 있습니다.
1
Biodegradable, Electro-active Chitin Nanofiber Films for Flexible Piezoelectric Transducers
Kyungtae Kim, Minjeong Ha, Byeongwook Choi, Se Hun Joo, Han Sol Kang, Ju Hyun Park, Bongjun Gu, Chanho Park, Cheolmin Park, Jong Bok Kim, Sang Kyu Kwak, Hyunhyub Ko, Jungho Jin, Seok Ju Kang
Nano Energy, 2018
2
Superoxide stability for reversible Na-O2 electrochemistry
V. S. Dilimon, Chihyun Hwang, Yoon-Gyo Cho, Juchan Yang, Hee-Dae Lim, Kisuk Kang, Seok Ju Kang, Hyun-Kon Song
Scientific Reports, 2017
3
Hierarchical Chitin Fibers with Aligned Nanofibrillar Architectures: A Nonwoven-Mat Separator for Lithium Metal Batteries
Joong-Kwon Kim, Do Hyeong Kim, Se Hun Joo, Byeongwook Choi, Aming Cha, Kwang Min Kim, Tae-Hyuk Kwon, Sang Kyu Kwak, Seok Ju Kang, Jungho Jin
ACS Nano, 2017
1
에너지-머신러닝 융합형 혁신 인재 양성 교육연구단
2
탄소열충격 기반 금속 고용체 하이브리드 촉매 및 포화염 수성 전해액을 이용한 고효율 N2RR 연구
3
해수이차전지 20Wh 이상급 단위 셀 기술 개발
