리튬-황(Li–S) 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 비해 높은 이론 에너지 밀도와 풍부한 원재료의 장점을 바탕으로 차세대 이차전지로 주목받고 있습니다. 그러나 황이 전해질에 용해되며 발생하는 다단계 전기화학 반응, 방전 생성물의 비균일한 침전, 전해질과의 부반응 등으로 인해 충방전 효율이 저하되고 셀 수명이 단축되는 문제가 있으며, 이로 인해 실제 응용에는 여러 기술적 장벽이 존재합니다. 우리 연구실은 이러한 문제를 해결하기 위해, 황의 손실과 확산을 억제할 수 있는 나노구조 탄소 전극 소재를 개발하고 있으며, 전기화학 반응의 선택성과 속도를 조절할 수 있는 촉매를 전극에 도입하여 전체 반응의 균일성과 안정성을 향상시키고자 합니다. 또한, 반도체 공정 기술에서 착안한 정밀 합성 전략과 건식 공정을 기반으로 한 고밀도 나노입자 코팅 기술을 적용하여 전극 계면의 반응 특성을 제어하고, 소재의 구조적·화학적 안정성을 높이는 연구를 진행하고 있습니다. 이와 더불어, 액체 전해질의 누액 위험성과 계면 불안정성을 극복할 수 있는 고체 전해질 기반의 전고체 배터리 시스템도 개발 중입니다. 우리는 고체 전해질과 전극 계면에서의 반응 안정성을 확보하고, 리튬이온 전도 특성을 향상시키기 위한 구조 설계 및 계면 조절 기술을 적용하여, 장기 안정성과 고에너지 밀도를 동시에 충족할 수 있는 고체 배터리 플랫폼을 구축하고자 합니다.
리튬-황 전지용 야누스 전극 구조
리튬-황(Li–S) 배터리는 높은 이론 에너지 밀도와 풍부한 원재료인 황 덕분에 차세대 이차전지로 주목받고 있습니다. 하지만 황이 전해질에 용해되면서 발생하는 다단계 전기화학 반응, 방전 생성물의 비균일한 침전, 전해질과의 부반응 등은 충방전 효율 저하와 셀 수명 단축의 주요 원인입니다.
주요 연구 분야
황 용해 억제를 위한 나노구조 탄소 전극 개발
전기화학 반응 효율 향상을 위한 촉매 통합 전극 설계
건식 공정 기반 고밀도 나노입자 코팅을 통한 계면 제어
반도체 공정 기반의 정밀 복합 소재 합성
고체 전해질–전극 간 계면 안정화 기술
전고체 배터리 내 리튬이온 전달 특성 향상
수소 생산 및 온실가스 전환을 위한 전기화학 촉매 연구
전기 에너지를 화학 에너지로 전환하는 전기화학적 변환 기술은 수소 생산과 탄소자원화, 그리고 전력–화학 융합형 시스템 구축을 위한 핵심 기반으로 평가받고 있습니다. 우리 연구실은 나노스케일에서 반응 중심을 정밀하게 제어할 수 있는 전기화학 촉매를 설계함으로써, 다양한 에너지 전환 반응의 효율성, 선택성, 안정성을 향상시키는 연구를 수행하고 있습니다. 우선, 물 분해 반응(HER 및 OER)을 통한 고효율 수소 생산을 위해 단일 원자 촉매(SACs) 및 이종계면 기반 촉매 구조를 설계하고 있으며, 산성 및 염기성 조건 모두에서 높은 활성과 안정성을 유지할 수 있는 반응 환경을 구현하고 있습니다. 또한, 이산화탄소(CO₂) 및 메탄(CH₄)의 전기화학적 전환을 통해 연료 및 고부가가치 화합물을 생산하는 반응 시스템을 개발하고 있으며, 이를 위해 촉매의 전자구조 조절, 반응 경로의 선택적 제어, 그리고 계면에서의 반응 속도론 조절 등에 중점을 두고 있습니다. 우리는 계산화학적 분석과 operando 분석 기법을 병행하여 반응 메커니즘을 정량적으로 규명하고 있으며, 이러한 연구를 바탕으로 실제 응용 가능한 고활성·고안정 촉매 시스템을 개발하고자 합니다.
전기화학 촉매 표면 반응 시뮬레이션 렌더링
이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구실은 황의 손실과 확산을 억제할 수 있는 나노구조 탄소 전극을 개발하고 있으며, 전기화학 반응의 선택성과 속도를 조절할 수 있는 촉매를 통합하여 전극의 반응 균일성과 안정성을 향상시키고자 합니다. 또한 반도체 공정에서 착안한 정밀 합성 기술과 건식 나노입자 코팅 공정을 통해 전극 계면의 반응 특성을 제어하고, 구조적·화학적 안정성을 높이고 있습니다.
Lithium–Sulfur and All-Solid-State Battery Research
Janus Electrode Design for Lithium–Sulfur Batteries
Lithium–sulfur (Li–S) batteries are gaining attention as next-generation secondary batteries due to their high theoretical energy density and the abundance of elemental sulfur.
However, challenges such as multistep electrochemical reactions caused by sulfur dissolution, inhomogeneous precipitation of discharge products, and side reactions with the electrolyte reduce efficiency and limit cycle life.
To overcome these barriers, our lab develops nanostructured carbon electrodes to suppress sulfur loss and diffusion, and integrates catalytic components to control reaction selectivity and kinetics.
We also employ precision synthesis and dry-processed nanoparticle coatings inspired by semiconductor manufacturing to tune interfacial characteristics and enhance material stability.
In addition, we are developing all-solid-state battery systems that eliminate leakage risks and interfacial instability of liquid electrolytes.
By engineering interfaces and lithium-ion transport mechanisms, we aim to realize solid-state batteries with long life and high energy density.
Key Research Areas
Nanostructured carbon electrodes to suppress sulfur dissolution
Catalyst-integrated electrode design for reaction efficiency
Dry-processed nanoparticle coatings for interface control
Precision synthesis of composite materials based on semiconductor fabrication
Interfacial stabilization of solid electrolytes and electrodes
Enhanced lithium-ion transport in solid-state systems
Electrocatalyst Research for Hydrogen and Greenhouse Gas Conversion
Visualization of surface reactions in electrocatalysis (simulation rendering)
Electrochemical conversion technologies that transform electrical energy into chemical energy are essential for hydrogen production, carbon valorization, and power-to-chemicals systems.
Our lab develops electrocatalysts with nanoscale precision to improve the efficiency, selectivity, and stability of energy conversion reactions.
We design single-atom catalysts (SACs) and heterostructure-based materials for high-efficiency hydrogen production via water splitting (HER and OER) in both acidic and alkaline media.
We also develop systems for the electrochemical conversion of CO₂ and CH₄ into fuels and value-added products, focusing on catalyst electronic structure control, reaction pathway selectivity, and interfacial kinetics.
Using operando techniques and computational chemistry, we quantitatively probe reaction mechanisms and aim to deliver robust, high-performance catalysts for practical applications.
Key Research Areas
Electrocatalysts for hydrogen production via water splitting (HER/OER)
Design of electrochemical systems for CO₂ and CH₄ conversion
Optimization of single-atom and heterostructure catalysts
Reaction selectivity control via pathway and electronic structure engineering
Mechanism elucidation via operando analysis and computational modeling
