Battery Materials 배터리 소재

Detailed Research Topics

All-Solid-State Batteries (ASSBs)

We study the buried interfaces between solid electrolytes and electrodes — regions that are critical for battery performance but notoriously difficult to characterize. Our work addresses sulfide, halide, and oxide solid electrolytes, focusing on interphase formation, mechanical degradation, and ionic transport pathways at the SEI/CEI. By combining cross-sectional imaging with chemical analysis, we examine how contact geometry and interphase chemistry evolve together. Connecting these local observations with electrochemical response helps distinguish the roles of reaction products, loss of contact, and transport limitations.

Designing the conductive network beneath active particles. Byeon et al., J. Mater. Chem. A (2024), Fig. 3c–f · Paper

Na-ion and K-ion Batteries

We investigate alloying anodes (Sn, Si, Sb) and hard carbon anodes for Na-ion and K-ion systems, elucidating phase transformation sequences, volume expansion-induced stress, and self-limiting diffusion phenomena during charge/discharge cycling.

Our published Sn studies connect reaction-front motion with the diffusion patterns left inside an electrode. Combining real-time observations and cross-sectional analysis allows us to examine how particle dimensions, defects, and reaction-induced stress influence the usable volume of an active material.

Seeing how particle size controls sodium penetration. Byeon et al., Small (2020), Fig. 3 · Paper

High-Nickel Cathode Materials

Degradation of LiNi_xCo_yMn_zO₂ (NCM) cathodes involves complex interplay between cation mixing, lattice strain, intragranular cracking, and surface reconstruction. We correlate these microstructural changes with electrochemical performance to guide cathode design.

We examine both the interior of active particles and their contacts with surrounding electrode components. Imaging and elemental mapping reveal where cracks open, what species accumulate near them, and how these changes alter the local environment. This perspective links particle design with the chemistry and mechanics of the composite electrode.

Reading the chemistry inside cathode cracks. Scale bars: 200 nm. Lee, Byeon et al., Energy Storage Materials (2023), Fig. 3 · Paper

Synthesis Thermodynamics

We collaborate on understanding and controlling the thermodynamic conditions for solid-state synthesis, enabling predictable formation of target phases for battery materials.

Time-resolved diffraction tracks the intermediate phases that emerge during heating. Comparing these pathways with reaction energies helps identify when thermodynamics can predict the first product and when competing kinetic effects become important, guiding the choice of precursors and synthesis conditions.

Connecting precursor choice with phase formation. Szymanski, Byeon et al., Science Advances (2024), Fig. 2 · Paper

Representative Publications

• Y.-W. Byeon et al., “Conductive carbon embedded beneath cathode active material for longevity of solid-state batteries,” J. Mater. Chem. A (2024)
• Y. Zeng, Y.-W. Byeon et al., “High-entropy mechanism to boost ionic conductivity,” Science (2022)
• Y.-W. Byeon, “Review on interface and interphase issues in sulfide solid-state electrolytes for all-solid-state Li-metal batteries,” Electrochem (2021)
• Y.-W. Byeon et al., “Effects of cation and anion substitution in KVPO₄F for K-ion batteries,” Energy Storage Mater. (2023)
• N. Szymanski, Y.-W. Byeon et al., “Quantifying the regime of thermodynamic control for solid-state reactions,” Science Advances (2024)

세부 연구 주제

전고체 배터리 (ASSB)

고체 전해질과 전극 사이에 형성되는 매립 계면(buried interface)을 연구합니다. 배터리 성능에 결정적이지만 분석이 매우 어려운 이 영역에서, 황화물·할라이드·산화물 고체 전해질의 계면상 형성, 기계적 열화, 이온 수송 경로를 규명합니다.

단면 이미징과 화학 분석을 결합하여 충방전 중 접촉 구조와 계면 조성이 어떻게 함께 변하는지 추적합니다. 국소 관찰을 전기화학적 응답과 연결해 반응 생성물의 형성, 접촉 손실, 수송 경로의 변화가 성능에 미치는 영향을 구분하고, 안정적인 전극–전해질 조합과 복합 전극 구조의 설계 근거를 마련합니다.

활물질 아래의 전도망을 설계하다. Byeon et al., J. Mater. Chem. A (2024), Fig. 3c–f · Paper

나트륨/칼륨 이온 배터리

Sn, Si, Sb 등 합금계 음극과 하드카본 음극을 대상으로, 충방전 과정에서의 상변태 순서, 부피 팽창에 의한 응력, 자기제한적 확산 현상을 밝혀냅니다.

Sn 음극의 대표 연구에서는 실시간 반응 영상과 반응 후 단면 분석을 연결하여, 표면에서 보이는 팽창이 내부의 확산 경로와 어떻게 대응하는지 확인했습니다. 입자 크기와 결함, 반응에 의해 발생하는 응력이 활물질의 활용 범위를 어떻게 바꾸는지 분석하고, 빠른 충방전과 구조적 안정성을 함께 확보할 수 있는 조건을 탐색합니다.

입자 크기가 바꾸는 Na 확산 경로. Byeon et al., Small (2020), Fig. 3 · Paper

하이니켈 양극 소재

LiNi_xCo_yMn_zO₂(NCM) 양극의 열화는 양이온 혼합, 격자 변형, 입내 균열, 표면 재구성이 복합적으로 작용합니다. 이러한 미세구조 변화와 전기화학 성능의 상관관계를 규명하여 양극 설계를 위한 방향을 제시합니다.

활물질 내부뿐 아니라 고체 전해질·바인더·도전재와 맞닿는 주변 환경도 함께 분석합니다. 균열이 어디에서 발생하고 어떤 성분이 그 주변으로 이동하는지 이미징과 원소 지도로 확인하여, 기계적 손상과 화학적 반응의 관계를 밝힙니다. 입자 자체의 설계와 복합 전극의 계면 설계를 연결하는 접근입니다.

양극 균열 속 화학적 변화를 읽다. 스케일바: 200 nm. Lee, Byeon et al., Energy Storage Materials (2023), Fig. 3 · Paper

합성 열역학

고체상 합성 반응의 열역학적 조건을 이해하고 제어함으로써, 배터리 소재의 목표 상(phase)을 예측 가능하게 형성하는 연구를 수행합니다.

가열 중 형성되는 중간상과 최종 생성물을 in situ 회절로 추적하고, 가능한 반응의 에너지를 비교하여 실제 합성 경로를 해석합니다. 열역학적 구동력이 생성상을 결정하는 조건과 반응 속도·핵생성이 중요한 조건을 구분함으로써, 전구체와 열처리 조건의 선택을 시행착오에서 예측 가능한 설계로 발전시키고자 합니다.

전구체 선택에서 목표 상의 형성까지. Szymanski, Byeon et al., Science Advances (2024), Fig. 2 · Paper

대표 논문

• Y.-W. Byeon et al., “Conductive carbon embedded beneath cathode active material for longevity of solid-state batteries,” J. Mater. Chem. A (2024)
• Y. Zeng, Y.-W. Byeon et al., “High-entropy mechanism to boost ionic conductivity,” Science (2022)
• Y.-W. Byeon, “Review on interface and interphase issues in sulfide solid-state electrolytes for all-solid-state Li-metal batteries,” Electrochem (2021)
• Y.-W. Byeon et al., “Effects of cation and anion substitution in KVPO₄F for K-ion batteries,” Energy Storage Mater. (2023)
• N. Szymanski, Y.-W. Byeon et al., “Quantifying the regime of thermodynamic control for solid-state reactions,” Science Advances (2024)