배터리 기술의 잠재적인 도약의 핵심은 양극과 음극 사이에 있는 액체 전해질을 훨씬 더 얇고 가벼운 고체 세라믹 물질로 교체하고 전극 중 하나를 고체 리튬 금속으로 교체하는 것이다. 이것은 배터리의 전체 크기와 무게를 크게 줄이고 가연성 액체 전해질과 관련된 안전 위험을 제거한다. 그러나 그 탐구는 하나의 큰 문제, 즉 수상돌기로 둘러싸여 있다.

나뭇가지를 의미하는 라틴어에서 이름이 유래된 수상돌기는 리튬 표면에 축적되어 고체 전해질에 침투하여 결국 한 전극에서 다른 전극으로 교차하여 배터리 셀을 단락시킬 수 있는 금속 돌출부이다. 연구원들은 이러한 금속 필라멘트를 발생시키는 원인에 대해 동의할 수 없었고, 이를 방지하여 경량 고체 배터리를 실용적인 옵션으로 만드는 방법에 대한 많은 진전도 없었다.

MIT 교수 Yet-Ming Chiang, 대학원생 Cole Fincher 및 MIT와 브라운대학교의 다른 5명의 논문에서 오늘 Joule 저널에 발표된 새로운 연구는 무엇이 수상돌기 형성을 유발하는지에 대한 질문을 해결하는 것으로 보인다. 또한 덴드라이트가 전해질을 통과하는 것을 방지할 수 있는 방법도 보여준다.

Chiang은 그룹의 초기 작업에서 "놀랍고 예상치 못한" 발견을 했다고 말한다. 고체 배터리에 사용되는 단단한 고체 전해질 재료는 프로세스 중에 매우 부드러운 금속인 리튬에 의해 침투될 수 있다는 것이다. 리튬 이온이 양면 사이를 이동하면서 배터리를 충전 및 방전한다.

이온이 앞뒤로 이동하면 전극의 부피가 변경된다. 그것은 불가피하게 고체 전해질에 응력을 발생시키고, 그 사이에 끼인 두 전극과 완전히 접촉된 상태를 유지해야 한다. "이 금속을 증착하려면 새로운 질량을 추가하기 때문에 부피가 확장되어야 한다."라고 Chiang은 말한다. “따라서 리튬이 증착되는 셀 측면의 부피가 증가한다. 그리고 미세한 결함이라도 존재한다면 균열을 일으킬 수 있는 결함에 압력이 가해질 것이다.”

연구팀은 이러한 응력이 수상돌기 형성을 허용하는 균열을 유발한다는 것을 보여주었다. 문제에 대한 해결책은 올바른 방향으로 올바른 양의 힘을 가하는 더 많은 스트레스로 밝혀졌다.

이전에 일부 연구자들은 덴드라이트가 기계적 프로세스가 아닌 순수한 전기화학적 프로세스에 의해 형성된다고 생각했지만, 팀의 실험은 문제를 일으키는 기계적 응력임을 보여준다.