덴드라이트

덴드라이트

덴드라이트(lithium dendrite)는 리튬이온 배터리를 사용할 때 생기는 나뭇가지 모양의 결정이다. 다른 말로는 수지상 결정이라고도 하며, 나뭇가지 모양의 결정인 금속 덴드라이트는 금속이 녹아 있는 용액에서 금속 핵이 생긴 다음 사방으로 가지를 뻗으며 자란다. 전지의 양극에 뿌리를 두고 무작위로 자라나며 너무 크게 자라면 양극과 음극을 분리하는 전극 사이의 디바이더를 뚫고 단락을 일으킨다. 내부 단락이 일어난 전지는 기전력을 잃는다. 리튬 덴드라이트가 일어나면 내부 전기저항이 급격히 올라가 열이 발생하여 화재의 원인이 되기도 한다. 리튬이온 배터리가 상용화되기 전, 배터리의 가장 큰 문제로 꼽혔었다.

덴드라이트 문제를 해결하기 위해 전고체전지 음극에 5마이크로미터(100만분의 1미터) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층(Ag-C Nanocomposite Layer)을 적용한 석출형 리튬음극 기술이 있다

개요

리튬이온 배터리를 충전 하는 과정에서 음극 표면에 리튬 결정이 맺히고 이것이 핵이 되어 점점 쌓이는 현상을 뜻한다. 마치 나뭇가지처럼 뾰족한 모양으로 자라나기 때문에 덴드라이트라는 이름이 붙었다. Dendlite란 '수상돌기', '가지돌기'를 뜻하는 말로 광물학이나 의학에서도 쓰이는 용어다. 전지 안에 리튬 덴드라이트가 생기면 일단 에너지 효율이 떨어진다. 리튬은 열심히 양극과 음극을 오가야 하는데 결정화되어 고정되면 하라는 일은 안 하고 놀고먹는 암세포나 마찬가지이기 때문. 더 심각한 문제는 덴드라이트가 자라다 보면 양극과 음극이 직접 붙는 것을 막아주는 분리막을 뚫어버리는 지경에까지 이르는데, 분리막이 뚫리면 단락 위험이 왕창 올라간다. 리튬이온 배터리의 에너지 밀도 경쟁이 점점 치열해지고 있는데 밀도가 올라갈수록 같은 공간에 리튬의 함량이 올라가기 때문에 덴드라이트가 생길 위험도 더욱 커지는 게 문제다.

리튬이온 배터리 제조사들에게는 어떻게 덴드라이트를 억제할 것인가가 아주 큰 숙제 중 하나다. 초기의 리튬 계열 2차전지는 음극에 금속 리튬을 사용했는데, 덴드라이트 문제가 심각해서 화재나 폭발 위험이 높았기 때문에 상용화에 실패했다. 이후 음극재로 흑연을 사용하면서 위험이 크게 줄어들었다. 그래도 위험성은 남아 있어서 주로 전해액에 첨가제를 넣어서 덴드라이트를 막는 방법을 많이 연구하고 있다. 전해질을 액체 대신 고체를 사용하는 전고체 배터리가 현실화된다면 덴드라이트의 위험성은 사라지겠지만 전고체 배터리 상용화는 아직이다.

차단방법

반도체박막기술

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 이중기 박사팀이 리튬금속 전극 표면에 반도체 박막을 형성해 리튬이온 전지 화재의 원인인 덴드라이트 형성을 원천 차단했다. 덴드라이트 현상은 전지 음극에 리튬이 나뭇가지처럼 자라는 것으로 리튬이온 전지의 성능이 떨어지고 폭발하는 원인으로 지목되고 있다. 리튬이온 전지를 충전할 때 리튬이온과 전자가 음극으로 이동한다. 이때 리튬이온은 음극에 금속이 만들어지면서 자라고 전지 부피를 팽창시킨다. 결국 리튬금속 가지들이 분리막을 뚫고 양극에 닿게 되면 합선돼 화재나 폭발로 이어질 수 있다. 연구팀은 전도성이 높은 반도체 소재인 풀러렌을 플라즈마에 노출시켜 리튬금속전극과 전해질 사이에 반도체 박막을 만들었다. 이 반도체 박막은 전자는 통과시키고 리튬이온은 통과시키지 못하게 한다. 전극 표면에서 전자와 이온이 만날 수 없어 리튬 결정이 만들어지지 않았다. 결국 덴드라이트의 형성을 원천적으로 차단할 수 있다. 연구팀은 리튬이온 전지에 반도체 박막 기술을 적용해 안정성 실험을 했다. 1200회 충방전을 계속해도 리튬 덴드라이트의 성장 없이 안정적이었다. 리튬코발트산화물 양극과 개발된 전극을 이용해 안정성 평가를 수행한 결과 500회 충방전 후에 용량의 약 81%가 유지됐다.

일반 리튬이온 이차전지 표면에 형성된 덴드라이트 결정의 모습(왼쪽)과 덴드라이트가 형성되지 않은 p형 반도체 전극의 표면(KIST 제공)

 

참고자료

• 〈리튬 덴드라이트〉, 《위키백과》
• 〈덴드라이트〉, 《나무위키》
• 〈리튬 덴드라이트〉, 《내위키》
• 이승범 기자, 〈안전한 이차전지 기술 개발, 리튬이온 전지 화재 원인 덴드라이트 형성 원천 차단〉, 《에너지단열경제》, 2021-04-27

같이 보기

• 리튬이온 배터리
• 열폭주

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