덴드라이트 (Dendrite) 현상의 이해 | 배터리 구조, 배터리 충전&방전 원리, 배터리 화재 원인

안녕하세요 기어투워드입니다.

 

 

내연기관 자동차도 사고 발생 시 화재가 나기도 하지만 전기차의 경우 충전 중에도 화재가 자기도 하고, 화재 발생 시 운전자가 대피하기도 전에 차 전체에 퍼져 사망사고도 발생한 이력이 있어 다들 우려하시는 부분이 있습니다.

그래서 오늘은 전기차 배터리 화재의 주요 원인인 덴드라이트 (Dendrite) 현상에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

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덴드라이트 현상이란?

 

| 배터리의 구조 & 충전방전 원리

덴드라이트 현상은 리튬 이온 배터리에서 발생하며 이를 이해하기 위해서는 먼저 전기차에서 사용하는 리튬 이온 배터리의 기본적인 구조에 대해 알아야 합니다. 아래와 같이 리튬 이온 배터리는 4가지 구조로 이루어져 있습니다.

 

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구 분	역 할	원소재
양극재	배터리의 용량과 평균 전압을 결정	리튬, 니켈, 코발트, 망간, 인산, 철 등
음극재	양극에서 나온 리튬이온을 저장/방출하면서 외부로 전류를 흐르게 함	흑연, 실리콘 등
분리막	양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할	폴리올레핀, 폴리프로필렌 등 절연 특성이 뛰어난 고분자 소재
전해액	이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체	유기용매, 전해질염, 첨가제 등

 

 

배터리 충전 시에는 양극에 있던 리튬 이온이 전해질을 통해 분리박을 지나 음극으로 이동합니다.

반대로, 배터리 방전 시 (전기 사용 시) 음극으로 이동했던 리튬 이온이 다시 양극으로 이동하는 원리입니다.

 

| 덴드라이트란?

리튬 이온 배터리를 충전하는 과정에서 음극 표면에 나뭇가지 모양의 결정체가 생기는데 이 현상이 바로 '덴드라이트 (Dendrite)' 현상입니다.

이 덴드라이트는 전극 표면에 맺힌 리튬 결정이 사방으로 자라나며 쌓이는 것으로 겨울철 생기는 고드름 같다고 보시면 됩니다.

 

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덴드라이트가 배터리 화재의 원인?

 

덴드라이트의 경우 어떻게 보면 배터리 안에 침적물이 쌓이는 것이기 때문에 당연히 좋지는 않겠죠?

물론 오랜시간 쌓여 성능만 떨어뜨린다면 문제없겠지만 이 덴드라이트는 배터리 화재에 주요 원인으로 작용합니다.

위 배터리의 구조에서도 말씀드렸다시피 양극과 음극 사이 분리막은 절연 소재로 양극과 음극이 접촉하지 못하도록 분리합니다.

이는 양극과 음극이 접촉하게 되면 쇼트를 일으켜 화재를 일으키기 때문입니다.

그런데, 덴드라이트가 자라 분리막을 손상시켜 양극과 음극이 접촉할 수 있는 길을 만들게 되면 쇼트, 즉 화재가 발생하게 됩니다.

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덴드라이트 현상에 따른 리튬 이온 배터리의 안정성 문제를 해결하기 위해 전고체 배터리 등 많은 연구가 진행되고 있습니다.

안전성을 확보하고 높은 에너지 밀도를 확보한 배터리 연구가 완성되는 순간이 전기차의 본격적인 상용화라고 생각됩니다. 

 

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Wrap-Up

 

오늘은 전기차의 핵심 부품인 배터리의 주요 화재 원인인 덴드라이트에 대해 알아봤습니다.

안전한 자동차 주행을 위해 하루빨리 연구가 완료되어 차세대 배터리가 적용되었으면 좋겠습니다.

 

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