충전식 리튬 배터리의 수상 돌기 문제를 해결하여 새로운 고체 배터리 설계의 문을 엽니다.
매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 연구원들은 충전식 리튬 배터리에서 수상 돌기의 형성과 전해질 통과를 방지하는 방법을 설명했습니다. 이 발견은 결국 현재 버전보다 더 가볍고 콤팩트하며 안전한 새로운 충전식 리튬 배터리 설계의 문을 열 수 있습니다.
지금까지 충전식 리튬 금속 배터리의 상업적 사용은 제한적이며 그 중 하나가 수상 돌기입니다. 덴드라이트는 리튬 표면에 축적되어 고체 전해질에 침투하고 마지막으로 한 전극에서 다른 전극으로 교차하여 배터리를 단락시킬 수 있습니다.
MIT의 초기 연구에 따르면 리튬 이온 고체 전해질 재료는 배터리 충전 및 방전 중에 앞뒤로 왕복하며 이로 인해 전극 부피가 변경됩니다. 이것은 필연적으로 고체 전해질에 응력을 발생시켜 중간에 끼인 두 개의 전극과 완전한 접촉을 유지해야 합니다."이 금속을 증착하기 위해서는 새로운 질량이 증가하기 때문에 부피를 확장해야 합니다. 따라서 리튬 배터리 측의 부피가 증가했습니다. 작은 결함이라도 있으면 이러한 결함에 압력이 가해져 균열이 발생합니다."
연구팀은 이제 이러한 압력이 수상 돌기를 형성하는 균열로 이어질 수 있음을 발견했습니다. 사실은 문제에 대한 해결책이 올바른 방향으로 적절한 힘으로 압력을 가하는 것임을 입증했습니다.
이전에 일부 연구자들은 덴드라이트가 기계적 과정이 아닌 순수한 전기화학적 과정에 의해 형성된다고 믿었지만, 연구팀의 실험은 문제가 기계적 응력에 의해 발생했음을 보여주었다.
세포 수상돌기의 형성 과정은 일반적으로 직접 관찰할 수 없는 불투명한 물질의 깊이에서 발생합니다. 이에 연구진은 전 과정을 직접 보고 기록할 수 있는 투명 전해질을 이용해 얇은 전지를 만드는 방법을 개발했다.
연구팀은 수상돌기와 힘의 방향이 완전히 일치하도록 압력을 가하고 풀어줌으로써 수상돌기의 성장을 직접 제어할 수 있음을 입증했다. 고체 전해질에 대한 기계적 응력은 수상돌기의 형성을 제거할 수 없지만 성장 방향을 제어할 수 있습니다. 이는 두 개의 전극에 평행하게 안내될 수 있고 다른 쪽을 통과하는 것을 방지하여 무해하다는 것을 의미합니다.
또 다른 방법은"마약"재료에 원자를 삽입하여 재료를 변형시키고 영구적인 응력 상태로 만듭니다. 실험에 따르면 150~200MPa의 압력이면 덴드라이트가 전해질을 통과하는 것을 방지하기에 충분합니다.
이전에는 다층 구조와 같은 샌드위치가 수지상 구조의 형성을 방지할 수 있다고 믿었습니다. 그러나 새로운 실험을 통해 배터리 플레이트 방향에 수직으로 재료를 압출하면 수지상 구조의 형성이 실제로 악화된다는 것이 입증되었습니다. 대신 샌드위치 측면에서 압착하는 것처럼 평면을 따라 압력이 가해져야 합니다.
