리튬 배터리 충전 시 음극 표면에 리튬 금속이 나뭇가지 모양의 결정으로 자라나는 현상이 무엇인가요?

Question

리튬 배터리 충전 시 음극 표면에 리튬 금속이 나뭇가지 모양의 결정으로 자라나는 현상을 설명하고, 이 무기 결정이 분리막을 관통하여 내부 단락 및 열폭주를 일으키는 과정이 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

리튬 이온 배터리를 반복해서 사용하거나 급속 충전할 때 발생하는 덴드라이트 현상은 배터리의 안전성을 위협하는 가장 치명적인 무기 화학적 변수 중 하나입니다.

​충전 시 리튬 이온은 전해질을 타고 양극에서 음극으로 이동하여 흑연 격자 사이로 들어갑니다. 하지만 충전 속도가 너무 빠르거나 낮은 온도에서 충전이 진행될 경우, 리튬 이온이 음극 내부로 미처 들어가지 못하고 표면에서 전자를 받아 금속 상태로 석출됩니다. 이때 리튬 금속은 평평하게 쌓이는 대신 불균일한 돌기 형태로 뭉치기 시작하며, 마치 나뭇가지나 바늘처럼 뾰족하게 자라나는데 이를 덴드라이트라고 부릅니다.

​이 덴드라이트가 위험한 이유는 배터리 내부의 물리적 방어벽을 파괴하기 때문입니다. 날카롭게 자라난 리튬 결정은 양극과 음극 사이를 가로막고 있는 얇은 절연막인 분리막을 미세하게 찔러 결국 관통해 버립니다. 분리막이 뚫려 양극과 음극이 직접 맞닿게 되면 내부 단락이 발생하고, 그 지점으로 순식간에 엄청난 양의 전류가 흐르며 과도한 열이 발생합니다.

​이 열은 배터리 내부의 전해질을 기화시키고 양극 구조를 붕괴시켜 산소를 방출하게 만듭니다. 이렇게 발생한 열과 산소가 다시 주변 셀의 온도를 높이는 연쇄적인 발열 반응을 일으키는데, 이것이 바로 통제 불능의 상태인 열폭주 현상입니다. 결국 나뭇가지 모양의 미세한 무기 결정 하나가 거대한 배터리 시스템을 순식간에 화재나 폭발로 몰아넣는 도화선 역할을 하는 셈입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리 등 덴드라이트 성장을 물리적으로 억제하는 기술 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

리튬 배터리를 충전할 때 음극 표면에 리튬 금속이 나뭇가지처럼 자라나는 현상은 '리튬 덴드라이트 형성'이라고 합니다. 이때 덴드라이트는 그리스어로 나무를 뜻하며, 금속이 가지친 결정 형태로 성장하는 모습을 나타냅니다. 이는 단순한 외형 문제가 아니라 배터리 수명 저하와 안전사고를 유발할 수 있는 매우 중요한 전기화학적 현상입니다. 정상적인 충전에서는 양극에서 나온 리튬 이온이 전해질을 통해 이동하여 음극 내부 층상 구조에 삽입되는데요, 리튬이 흑연 층 사이로 들어가 저장됩니다. 그러나 특정 조건에서는 이 삽입 반응보다 표면 석출이 우세해지기 때문에 Li⁺가 전자를 받아 음극 표면에 금속 리튬으로 환원됩니다. 이때 금속 리튬이 균일한 막처럼 깔끔하게 쌓이면 그나마 덜 위험하지만, 실제 표면은 거칠고 전류 밀도 분포가 불균일합니다. 음극의 돌출부, 결함, 국소 저항이 낮은 지점에 전류가 집중되면 그곳에 먼저 리튬이 석출되고, 돌기가 생기면 전기장이 더 집중되어 추가 석출이 더 잘 일어나는 자기증폭적 성장이 시작되면서 결과적으로 바늘, 수염, 나뭇가지 형태의 덴드라이트 결정이 자라납니다. 이후 분리막을 뚫어 양극과 음극이 전기적으로 연결되면 내부 단락이 발생하고 매우 큰 전류가 순간적으로 흐르며 국소 발열이 일어납니다. 이때 자가가속적 발열 현상을 열폭주 라고 하는 것이며, 열폭주가 시작되면 셀 팽창, 가스 발생, 연기, 화재, 폭발로 이어질 수 있습니다. 감사합니다.