송태섭 연구실의 핵심 연구축 가운데 하나는 리튬이온전지, 나트륨이온전지, 리튬금속전지, 전고체전지에 적용되는 차세대 전극 소재의 설계와 구조 최적화이다. 연구실은 단순히 새로운 조성을 찾는 수준을 넘어, 전극 활물질의 미세구조와 계면 안정성을 함께 설계함으로써 고에너지밀도와 장수명 특성을 동시에 달성하는 데 초점을 맞추고 있다. 특히 실리콘계, 게르마늄계, 황화물계, 산화물계 소재의 구조적 취약성과 부피 팽창 문제를 해결하기 위한 나노구조화 전략을 지속적으로 발전시켜 왔다. 대표적으로 yolk-shell 나노박스, 중공 나노섬유, 다공성 inverse opal 구조, 탄소 복합화 구조와 같은 정교한 구조 설계를 통해 이온 확산 경로를 단축하고 전자전도성을 높이며, 반복 충방전 과정에서 발생하는 기계적 응력을 효과적으로 완화하는 연구를 수행한다. 이러한 접근은 나트륨이온전지용 FeS2@C, 리튬이온전지용 질화 TiO2 중공 나노섬유, 다공성 벽을 갖는 Ge 전극 등 주요 논문에서 잘 드러난다. 최근에는 실리콘/흑연 복합 음극, 리튬금속 보호층, 인공 SEI 및 CEI 형성, 음극 없는 전고체전지 구현 등 실제 차세대 전지 시스템과 밀접한 주제로 연구가 확장되고 있다. 또한 연구실은 소재 개발과 함께 제조공정 혁신에도 힘쓰고 있다. 후막 전극, 건식 공정, 고밀도 전극 제조, 기능성 도전재 적용, 세라믹 이온전도성 분리막 일체형 전극 기술 등은 고성능 소재를 실제 셀 수준으로 연결하기 위한 중요한 연구영역이다. 이 같은 연구는 학술적 성과뿐 아니라 특허와 대형 산학협력 과제로도 이어지고 있으며, 차세대 배터리의 상용화 가능성을 높이는 실용 지향적 성격을 갖는다.

연구실의 또 다른 중요한 연구분야는 물 분해와 산소환원 반응에 사용되는 고효율 전기화학 촉매 개발이다. 수소 생산과 연료전지, 금속-공기전지 등 에너지 전환 시스템의 성능은 촉매의 활성과 내구성에 크게 좌우되기 때문에, 연구실은 저비용·고성능 촉매 소재의 전자구조와 상경계면을 정밀하게 제어하는 전략을 중심으로 연구를 전개하고 있다. 특히 귀금속 사용량을 줄이면서도 장기 안정성을 확보할 수 있는 촉매 플랫폼을 만드는 데 강점을 보인다. 주요 연구로는 결정상-비정질상 경계면을 활용한 산소발생반응 촉매 고도화, 전자화물 지지체 위에 음전하를 띠는 백금 나노입자를 고정하여 산소환원반응 내구성을 향상시키는 기술, 고엔트로피 합금 기반의 산성 수전해 촉매 최적화 등이 있다. 이러한 연구는 촉매 표면에서의 전하 이동, 흡착 에너지 조절, 활성점 분리 설계, 산소 크로스오버 환경에서의 안정성 확보와 같은 전기화학적 핵심 문제를 직접 다룬다. 나아가 HER, OER, ORR의 반응 선택성과 촉매 구조 변화를 연계해 분석함으로써 실질적인 반응 메커니즘 이해를 추구한다. 최근 수행 중인 알칼라인 수전해 장비용 세라믹 촉매 전극 개발 과제는 이 연구방향의 대표적 확장 사례이다. 연구실은 세라믹 기반 전극의 안전성, 고효율화, 내구성 향상뿐 아니라 산소·수소 제거 반응 및 크로스오버 안전성 평가까지 포함한 시스템 수준의 연구를 진행하고 있다. 이는 단순 촉매 합성 연구를 넘어 수소 생산 장비의 신뢰성과 안전성을 높이는 응용 연구로 이어지며, 에너지 전환 소재 연구실로서의 정체성을 분명히 보여준다.

송태섭 연구실은 배터리와 촉매 연구 외에도 환경·에너지 세라믹스 전반에서 계면 공학과 기능성 소재 설계를 폭넓게 수행하고 있다. 연구실의 배경 키워드인 환경/에너지세라믹스와 신소재공학은 고체전해질, 열차폐 코팅, 연료전지, 기능성 산화물, 표면처리 소재 등 다양한 세라믹 시스템에 공통으로 적용된다. 특히 세라믹 소재의 조성, 결정구조, 상안정성, 표면전하, 박막 및 코팅층의 역할을 정밀 제어해 성능을 향상시키는 접근이 특징적이다. 구체적으로는 고체산화물연료전지의 전해질/전극 계면 개선, GDC/YSZ 이중층 전해질 고밀도화, 나노섬유 기반 SOFC 전극 설계, 희토류 지르코네이트 및 고엔트로피 산화물의 열차폐 특성 향상, 세리아 기반 나노입자의 표면화학 조절 등이 연구주제로 확인된다. 또한 CMP용 슬러리 조성, 산화막/질화막 선택비 제어, Cu/Ru 계면의 갈바닉 부식 억제, 세정 조성물 개발 등 반도체 공정용 세라믹·산화물 소재 연구도 수행한다. 이는 세라믹 소재의 기능을 에너지 저장과 변환에만 한정하지 않고, 공정재료와 산업소재로까지 확장하는 연구 역량을 보여준다. 이러한 연구의 공통분모는 ‘계면’과 ‘구조’에 있다. 전극과 전해질, 코팅층과 모재, 연마입자와 박막, 나노입자와 용액 환경 사이의 상호작용을 제어함으로써 소재가 실제 작동 환경에서 발휘하는 성능을 높이는 것이다. 따라서 이 연구실의 세라믹스 연구는 전통적인 소결 및 조성 설계를 넘어, 나노구조·표면화학·전기화학·공정공학을 통합하는 융합형 신소재 연구로 이해할 수 있다.