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덴드라이트 문제를 해결하기 위해 전고체전지 음극에 5마이크로미터(100만분의 1미터) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층(Ag-C Nanocomposite Layer)을 적용한 석출형 리튬음극 기술이 있다 | 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 전고체전지 음극에 5마이크로미터(100만분의 1미터) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층(Ag-C Nanocomposite Layer)을 적용한 석출형 리튬음극 기술이 있다 | ||
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| + | == 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. | ||
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| + | 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. | ||
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| + | == 형성원인 == | ||
| + | 리튬 전극을 가진 재충전 가능한 배터리의 가장 큰 문제점은 덴드라이트의 성장이다. 이것은 배터리의 단로를 발생시키고 완전한 붕괴를 일으킨다. 비록 덴드라이트는 배터리의 전해질 영역에 손상을 주지만, 새로운 연구는 덴드라이트 형성의 근원은 전해질이 아니라 전극 아래에 더 깊이 놓여 있는 것이라는 것을 밝혔다. 전해질 안에서 표면 아래의 덴드라이트 구조의 성장을 전해질 안으로 확장되기 전에 막는 것이 전해질 안에서 더 발전된 상태에서 덴드라이트 성장을 억제하기 위한 시도를 하는 것보다 더 합당할 것이라는 것을 보임으로써, 이 발견은 덴드라이트 형성을 막는 방법의 전환을 가져올 수 있을 것이다. | ||
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| + | 캘리포니아 주에 위치한 버클리 대학과 로렌스 버클리 국립 연구소의 연구진은 그들의 덴드라이트 형성의 근원으로서 표면 아래 구조의 발견에 대한 논문을 Nature Materials 최근호에 발표하였다. 전기 자동차와 같은 응용을 위한 재충전 가능한 Li 배터리의 에너지 밀도를 극적으로 향상시키기 위한 모든 디자인은 실제적으로 Li 금속 양극에 기반하고 있다고 버클리 대학 Nitash Balsara교수는 말하였다. 연구진은 그들의 연구가 이런 양극의 실패 메커니즘에 대한 새로운 기본적인 직관을 제공한다고 말하였다. 연구진은 그들이 아는 한, 누구도 비전도성 오염 물질이 덴드라이트 형성에 대한 책임이 있을 것이라는 것을 의심하지 않았다고 말하였다. | ||
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| + | 그것은 또한 배터리 내부에서 발생하는 프로세스를 연구하기 위한 비교적 새로운 기술인 싱크로트론 하드 X-선 단층 기술의 위력을 시연하는 것이다. 비록 덴드라이트가 널리 연구되었지만, 나무 같은 덴드라이트의 벌크가 전해질을 차지하고 있는 그것들은 항상 Li 전극 물질의 표면에서부터 나오는 것으로 보인다. 덴드라이트의 가지가 전해질을 완전히 가로질러 반대쪽 전극까지 도달하면, 덴드라이트를 통과하여 지나는 전류는 배터리를 단락시킬 수 있다. 이것은 광학 및 전자 현미경, 핵 자기 공명 및 자기 공명 영상을 포함한 다양한 이미징 도구에 의해서 밝혀진 내용이다. | ||
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| + | 이 새로운 연구에서, 연구자들은 처음으로 싱크로트론 하드 X-선 마이크로단층 촬영을 이용하였다. 이것은 로렌스 버클리 연구소 고등 광소스의 이미징 도구로서 자외선 빛 X-선을 위한 세계에서 가장 밝은 광소스 중의 하나이다. 이전의 방법들과는 달리, 이 기술은 연구자들로 하여금 전해질 안에서의 구조 영상뿐만 아니라 전해질의 양쪽에 있는 전극 안의 영상도 얻을 수 있게 해준다.이 기술을 이용하여, 연구자들은 덴드라이트 형성의 씨가 저극 물질 안에서 발생하는 것을 관측할 수 있으며 배터리가 반복적으로 사이클 할 때 전해질 안으로 계속 성장하는 덴드라이트도 볼 수 있다. | ||
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| + | 연구진은 배터리 사이클의 초기 및 중기 단계에서 덴드라이트 부피의 대부분이 전해질이 아닌 전극 안에 놓여 있다는 것을 관측하였다. 좀 더 진보된 단계에서만, 덴트라이트 부피의 벌크가 전해질 안에 놓여 있다. 보통 사용되는 주사 전자 현미경으로 영상을 찍었을 때, 전극 안에 있는 어떤 덴드라이트도 보이지 않았다. 연구진은 전극 안에서 덴드라이트 핵을 만들고 성장하게 하는 메커니즘이 어떤 것인지 확실하게 알지는 못하지만, 그들은 Li 물질 안의 오염물질이 원인일 것으로 가정하고 있다. | ||
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| + | X-선 단층 촬영 기술을 이용하여, 연구진은 Li 전극에서 밝은 반점으로 나타나는 결정질 오염 물질을 볼 수 있었다. 그들은 그들이 관측한 모든 덴드라이트 구조가 그것의 기저에 밝은 반점을 가지고 있다는 것을 관측하였다. 이것은 이런 오염 물질을 제거하는 것이 Li 덴드라이트 문제를 해결하는 핵심일 수 있다는 것을 암시하는 것이다. 앞으로, 이들 연구진은 표면 아래 덴드라이트 형성의 원인을 더 조사할 예정이다. 그뿐만 아니라 덴드라이트 성장에서 전해질 특성의 역할을 더 잘 이해하고자 한다. | ||
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| + | 연구진은 현재 Li 금속 양극으로부터 비전도성 불순물을 제거하는 방법을 연구하고 있다고 말하였다. 이런 양극은 매우 다른 붕괴 모드는 보여줄 것이며 이런 양극으로 제작된 배터리는 현재 이용 가능한 Li 금속 포일로 만든 것보다 더 오래 지속될 것이다. 이들의 연구 결과는 "Detection of subsurface structures underneath dendrites formed on cycled lithium metal electrodes"라는 제목으로 Nature Materials 저널에 발표되었다. | ||
== 참고자료 == | == 참고자료 == | ||
* 〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A6%AC%ED%8A%AC_%EB%8D%B4%EB%93%9C%EB%9D%BC%EC%9D%B4%ED%8A%B8 리튬 덴드라이트]〉, 《위키백과》 | * 〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A6%AC%ED%8A%AC_%EB%8D%B4%EB%93%9C%EB%9D%BC%EC%9D%B4%ED%8A%B8 리튬 덴드라이트]〉, 《위키백과》 | ||
* 〈[https://namu.wiki/w/%EB%8D%B4%EB%93%9C%EB%9D%BC%EC%9D%B4%ED%8A%B8 덴드라이트]〉, 《나무위키》 | * 〈[https://namu.wiki/w/%EB%8D%B4%EB%93%9C%EB%9D%BC%EC%9D%B4%ED%8A%B8 덴드라이트]〉, 《나무위키》 | ||
| + | * 〈[https://www.newiki.net/wiki/%EB%A6%AC%ED%8A%AC_%EB%8D%B4%EB%93%9C%EB%9D%BC%EC%9D%B4%ED%8A%B8 리튬 덴드라이트]〉, 《내위키》 | ||
== 같이 보기 == | == 같이 보기 == | ||
2021년 5월 13일 (목) 17:20 판
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.
형성원인
리튬 전극을 가진 재충전 가능한 배터리의 가장 큰 문제점은 덴드라이트의 성장이다. 이것은 배터리의 단로를 발생시키고 완전한 붕괴를 일으킨다. 비록 덴드라이트는 배터리의 전해질 영역에 손상을 주지만, 새로운 연구는 덴드라이트 형성의 근원은 전해질이 아니라 전극 아래에 더 깊이 놓여 있는 것이라는 것을 밝혔다. 전해질 안에서 표면 아래의 덴드라이트 구조의 성장을 전해질 안으로 확장되기 전에 막는 것이 전해질 안에서 더 발전된 상태에서 덴드라이트 성장을 억제하기 위한 시도를 하는 것보다 더 합당할 것이라는 것을 보임으로써, 이 발견은 덴드라이트 형성을 막는 방법의 전환을 가져올 수 있을 것이다.
캘리포니아 주에 위치한 버클리 대학과 로렌스 버클리 국립 연구소의 연구진은 그들의 덴드라이트 형성의 근원으로서 표면 아래 구조의 발견에 대한 논문을 Nature Materials 최근호에 발표하였다. 전기 자동차와 같은 응용을 위한 재충전 가능한 Li 배터리의 에너지 밀도를 극적으로 향상시키기 위한 모든 디자인은 실제적으로 Li 금속 양극에 기반하고 있다고 버클리 대학 Nitash Balsara교수는 말하였다. 연구진은 그들의 연구가 이런 양극의 실패 메커니즘에 대한 새로운 기본적인 직관을 제공한다고 말하였다. 연구진은 그들이 아는 한, 누구도 비전도성 오염 물질이 덴드라이트 형성에 대한 책임이 있을 것이라는 것을 의심하지 않았다고 말하였다.
그것은 또한 배터리 내부에서 발생하는 프로세스를 연구하기 위한 비교적 새로운 기술인 싱크로트론 하드 X-선 단층 기술의 위력을 시연하는 것이다. 비록 덴드라이트가 널리 연구되었지만, 나무 같은 덴드라이트의 벌크가 전해질을 차지하고 있는 그것들은 항상 Li 전극 물질의 표면에서부터 나오는 것으로 보인다. 덴드라이트의 가지가 전해질을 완전히 가로질러 반대쪽 전극까지 도달하면, 덴드라이트를 통과하여 지나는 전류는 배터리를 단락시킬 수 있다. 이것은 광학 및 전자 현미경, 핵 자기 공명 및 자기 공명 영상을 포함한 다양한 이미징 도구에 의해서 밝혀진 내용이다.
이 새로운 연구에서, 연구자들은 처음으로 싱크로트론 하드 X-선 마이크로단층 촬영을 이용하였다. 이것은 로렌스 버클리 연구소 고등 광소스의 이미징 도구로서 자외선 빛 X-선을 위한 세계에서 가장 밝은 광소스 중의 하나이다. 이전의 방법들과는 달리, 이 기술은 연구자들로 하여금 전해질 안에서의 구조 영상뿐만 아니라 전해질의 양쪽에 있는 전극 안의 영상도 얻을 수 있게 해준다.이 기술을 이용하여, 연구자들은 덴드라이트 형성의 씨가 저극 물질 안에서 발생하는 것을 관측할 수 있으며 배터리가 반복적으로 사이클 할 때 전해질 안으로 계속 성장하는 덴드라이트도 볼 수 있다.
연구진은 배터리 사이클의 초기 및 중기 단계에서 덴드라이트 부피의 대부분이 전해질이 아닌 전극 안에 놓여 있다는 것을 관측하였다. 좀 더 진보된 단계에서만, 덴트라이트 부피의 벌크가 전해질 안에 놓여 있다. 보통 사용되는 주사 전자 현미경으로 영상을 찍었을 때, 전극 안에 있는 어떤 덴드라이트도 보이지 않았다. 연구진은 전극 안에서 덴드라이트 핵을 만들고 성장하게 하는 메커니즘이 어떤 것인지 확실하게 알지는 못하지만, 그들은 Li 물질 안의 오염물질이 원인일 것으로 가정하고 있다.
X-선 단층 촬영 기술을 이용하여, 연구진은 Li 전극에서 밝은 반점으로 나타나는 결정질 오염 물질을 볼 수 있었다. 그들은 그들이 관측한 모든 덴드라이트 구조가 그것의 기저에 밝은 반점을 가지고 있다는 것을 관측하였다. 이것은 이런 오염 물질을 제거하는 것이 Li 덴드라이트 문제를 해결하는 핵심일 수 있다는 것을 암시하는 것이다. 앞으로, 이들 연구진은 표면 아래 덴드라이트 형성의 원인을 더 조사할 예정이다. 그뿐만 아니라 덴드라이트 성장에서 전해질 특성의 역할을 더 잘 이해하고자 한다.
연구진은 현재 Li 금속 양극으로부터 비전도성 불순물을 제거하는 방법을 연구하고 있다고 말하였다. 이런 양극은 매우 다른 붕괴 모드는 보여줄 것이며 이런 양극으로 제작된 배터리는 현재 이용 가능한 Li 금속 포일로 만든 것보다 더 오래 지속될 것이다. 이들의 연구 결과는 "Detection of subsurface structures underneath dendrites formed on cycled lithium metal electrodes"라는 제목으로 Nature Materials 저널에 발표되었다.
참고자료
같이 보기
