리튬 이온 배터리를 파괴할 수 있는 덴드라이트의 형성에 대한 연구는 수 시간이 아니라 몇 분 내에 충전될 수 있는 더 안전하고 더 오래 지속되는 배터리를 이끌 수 있을 것이다. 덴드라이트는 양극 전극 위에 형성되고 내부 단락이 발생할 때까지 지속적으로 성장할 수 있는데, 이것은 배터리 파괴 및 화재를 초래할 수 있다. 

배터리는 양극과 음극이라고 불리는 두 개의 전극을 가지는데, 이것들은 절연성 폴리머(분리기)에 의해서 분리되어 있다. 바늘과 같은 형상으로 성장되는 덴드라이트는 이런 분리 장벽을 돌파해서 배터리를 파괴할 수 있다. 이번 연구진은 덴드라이트를 이해하고 더 나은 분리기를 설계하기 위한 방법을 찾기 위해서 수치 모델링을 사용했다. 

“우리는 이런 배터리에 대한 기초 과학을 정의하려고 노력하고 있고, 이런 문제를 가지지 않는 배터리를 만들기 위해서 최선을 다하고 있다”고 퍼듀 대학(Purdue University)의 R. Edwin García 조교수가 말했다. 

이번 연구진은 덴드라이트가 어떻게 형성되고 발달되는지를 관찰했다. 또는 각각의 덴드라이트가 서로 어떻게 상호작용하는지를 조사했다. 또한 시뮬레이션을 이용해서 덴드라이트가 배터리 전극으로부터 어떻게 분리되는지를 명확하게 확인했다. 이것은 배터리에 화재가 발생할 수 있는 위험한 상황을 발생시킬 수 있다. 이 연구결과는 저널 Power Sources에 2월 1일자로 게재되었다. 

이번 연구진은 배터리 회사가 더 나은 분리기를 디자인하는데 도움을 줄 수 있는 모델링 툴을 개발했다. 기공들은 분리기 속의 폴리머 섬유 사이에 존재하고, 이번 연구진은 분리기의 기공 크기와 형상이 덴드라이트 발달에 어떤 영향을 끼치는지를 모델링했다. “우리는 분리기의 형상과 이것의 성능 간의 관계성을 발견했다”고 García가 말했다. “우리는 이것이 분리기를 향상시킬 수 있는 최초의 단계이라고 생각했다”고 García가 덧붙였다. 

일부 배터리의 경우에, 배터리를 재충전하면 덴드라이트가 리튬 형상물에서 성장하고, 나이테와 닮은 층들을 발생시킨다. 빠른 재충전을 위해서 높은 전류에 노출될 때 더 빠르게 성장하기 때문에, 덴드라이트는 재충전 속도를 제한시킨다. 덴드라이트를 제어하는 것은 수 분 내에 충전할 수 있는 더 오래 지속되고, 더 안전하고, 더 작은 배터리를 이끌 수 있을 것이다. 

이 문제를 해결할 수 있는 한 가지 방법은 리튬이 균일하고 상대적으로 평편하게 성장하도록 유도하는 것이다. 이종 성장은 덴드라이트가 양극 표면 위의 다양한 위치에서 불균일하게 발생한다는 것을 의미한다. 그들을 불균일하게 성장하고 더 제어된 방식으로 성장하도록 유도할 수 있다면, 배터리는 이런 성장을 수용할 수 있도록 디자인될 수 있다. 이것은 덴드라이트가 음극에 도달하지 않도록 한다. 

이 연구는 현재 진행 중이고, 국립과학재단(National Science Foundation)으로부터 자금의 일부를 지원받고 있다. “많은 흥미로운 과제들이 존재한다”고 Garcia가 말했다. “우리는 모든 것이 이루어지기를 원하고 있다: 분리기와 양극 재료의 입자들이 완벽하게 상용화할 수 있기를 원하고 있다”고 García가 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 Power Sources에 “Dendrite-separator interactions in lithium-based batteries”라는 제목으로 게재되었다(.doi:10.1016/j.jpowsour.2014.11.056). 

출처 http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38771.php