리튬 덴드라이트

Lithium dendrite.

리튬-이온 전지를 충전 하는 과정에서 음극 표면에 리튬 결정이 맺히고 이것이 핵이 되어 점점 쌓이는 현상을 뜻한다. 마치 나뭇가지처럼 뾰족한 모양으로 자라나기 때문에 '덴드라이트'라는 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. 분리막이 찢어지면 전지로서 수명은 끝이라고 보면 된다. 리튬-이온 전지의 에너지 밀도 경쟁이 점점 치열해지고 있는데 밀도가 올라갈수록 같은 공간에 리튬의 함량이 올라가기 때문에 덴드라이트가 생길 위험도 더욱 커지는 게 문제다.

리튬-이온 전지 제조사들에게는 어떻게 덴드라이트를 억제할 것인가가 아주 큰 숙제 중 하나다. 초기의 리튬 계열 이차전지는 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 아직은 머나먼 길이라...

그나마 최근에는 전고체 배터리도 리튬 덴드라이트 문제가 없는 게 아니며, 리튬이온 배터리에 비해 전고체 배터리의 충방전의 균일성이 떨어지기 때문에 리튬이온 전지보다 덴드라이트가 더 잘 만들어질 수도 있다는 연구 결과도 있다. 따라서 전고체 배터리 쪽에서도 덴드라이트를 억제하기 위한 연구를 하고 있다.