덴드라이트(dendrite) @배터리와 금속

배터리에서의 덴드라이트(dendrite)
전지 내 덴드라이트(dendrite)는 전극 표면, 특히 리튬 이온 전지에서 형성될 수 있는 원치 않는 성장입니다. 이러한 덴드라이트는 음극과 양극 사이의 분리막 층을 관통할 수 있는 얇은 분기 구조로, 배터리 고장이나 심지어 화재로 이어질 수 있는 단락을 유발합니다.
덴드라이트 성장은 전지의 충방전을 반복할 때 발생하여 리튬 이온이 음극 표면에 축적되는 원인이 됩니다. 시간이 지남에 따라, 이 이온들은 전해질로 확장되어 양극과 접촉할 수 있는 금속 퇴적물을 형성할 수 있습니다. 덴드라이트가 양극과 접촉하게 되면 단락이 발생하여 열이 방출되고 전지 또는 주변 물질에 잠재적인 손상을 줄 수 있습니다.

덴드라이트 패턴 Photo by Adrien Converse on Unsplash

배터리에서의 덴드라이트(dendrite) 형성원인
덴드라이트의 형성은 다양한 요인에 의해 영향을 받는 복잡한 과정입니다. 주요 원인 중 하나는 전지 내부의 이온과 전자의 불균일한 분포로 인해 금속 이온이 음극에 축적되어 덴드라이트가 형성될 수 있습니다. 또한, 전지의 반복적인 충방전 사이클로 인해 음극이 불안정해져 덴드라이트 성장을 가속 시킬 수 있습니다.
덴드라이트 형성에 기여할 수 있는 또 다른 요인은 전지에 사용되는 전해액의 품질입니다. 전해질은 전기를 전도하고 배터리 내에서 이온의 이동을 허용하는 용액입니다. 전해액의 품질이 좋지 않으면 불안정해지고 금속 이온과 반응하여 덴드라이트가 형성될 수 있습니다.
또한, 배터리의 설계 및 구성은 덴드라이트 형성에도 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, 음극과 양극이 너무 가깝거나 분리막이 너무 얇으면 덴드라이트가 형성될 가능성이 높습니다. 마찬가지로, 배터리가 극심한 온도 변화 또는 물리적 손상을 받는 경우 덴드라이트 형성 가능성이 높아집니다.
덴드라이트는 단락 및 배터리 수명 감소를 포함하여 배터리에 다양한 문제를 일으킬 수 있습니다. 덴드라이트가 충분히 길어지면 음극과 양극 사이의 분리막에 침투하여 단락을 유발할 수 있습니다. 이로 인해 과열이 발생할 수 있으며, 배터리 화재 또는 폭발이 발생할 수도 있습니다. 또한 덴드라이트는 배터리 내의 리튬 이온을 소비하여 용량을 감소시키고 전체 수명을 단축시킬 수 있습니다.
 
덴드라이트 성장에 대한 해결 방법
배터리에서 덴드라이트 성장을 방지하거나 완화하기 위한 몇 가지 방법이 개발되고 있습니다. 한 가지 접근법은 리튬 이온의 축적과 그에 따른 덴드라이트 형성을 방지하기 위해 전극 재료의 표면을 처리하는 것입니다. 예를 들어 삼성에서는 은-탄소 나노입자 복합층(Ag-C nanocomposite layer)을적용한 석출형 리튬음극 기술을 적용하고 있다고 합니다. 또 다른 방법은 덴드라이트 성장을 억제하거나 성장을 방지하기 위해 고체 장벽을 형성할 수 있는 전해액에 첨가제를 사용하는 것입니다. 또한, 안정성 측면에서 덴드라이트의 성장에 잘 버틸 수 있는 새로운 분리막 재료가 개발되고 있습니다.
덴드라이트 형성을 방지하는 것은 특히 전기 자동차 및 그리드 규모의 에너지 저장 시스템과 같은 응용 분야에서 배터리의 안전하고 효율적인 작동을 위해 중요합니다. 차세대 배터리 기술의 성능, 내구성 및 안전성을 향상시키기 위해서는 이 분야에 대한 지속적인 연구 개발이 필수적입니다. 전체적으로 덴드라이트 형성은 배터리 기술 분야에서 복잡하고 지속적인 과제입니다. 하지만, 지속적인 연구와 혁신으로 덴드라이트 성장에 덜 취약한 더 안전하고 신뢰할 수 있는 배터리를 개발할 수 있을 것입니다. 
 
금속에서의 덴드라이트(dendrite)
금속에서 덴드라이트(dendrite)는 금속이 응고(solidification)되는 동안 형성될 수 있는 나무와 같은 조직를 말합니다. 용해된 금속이 냉각되어 응고되면 액체에서 고체 상태로 바뀌는 상변환을 거칩니다. 이 과정 동안, 금속 원자들은 결정을 가지는 결정립의 형태로 배열됩니다. 그러나 냉각 과정이 항상 균일한 것은 아니기 때문에, 액체 금속 내의 부분에 따라 다른 속도로 응고될 수 있습니다. 이는 결정 방향이 다른 영역의 형성으로 이어질 수 있습니다. 이러한 영역이 만나면 벌크 재료와 다른 특성을 가진 경계를 만들게 됩니다. 그 경계는 새로운 결정의 핵 생성을 위한 장소로 작용하여 덴드라이트의 형성으로 이어질 수 있습니다.
 
금속 응고의 덴드라이트는 결정 성장 과정을 통해 형성되는 분기 구조라는 점에서 배터리의 덴드라이트와 유사합니다. 두 경우 모두 덴드라이트가 문제를 일으킬 수 있습니다. 금속 응고 과정에서 덴드라이트는 재료에 약한 점을 만들어 기계적 특성에 영향을 줄 수 있습니다. 배터리에서 덴드라이트는 분리막을 관통하여 단락을 발생시킬 수 있으며, 이로 인해 배터리가 고장 나거나 심지어 화재가 발생할 수 있습니다.
 
금속 응고 시 덴드라이트 형성을 방지하기 위해 몇 가지 기술이 사용될 수 있습니다. 한 가지 접근법은 금속의 미세 구조를 개선하고 덴드라이트 형성을 줄일 수 있는 합금 요소를 추가하는 것입니다. 또 다른 접근 방식은 방향 응고 기술을 사용하는 것입니다. 여기서 금속은 균일한 결정 성장을 촉진하기 위해 제어된 방식으로 냉각됩니다.