전고체 리튬 배터리는 고에너지 밀도와 높은 안전성을 갖춘 차세대 배터리 기술로 주목받고 있다. 하지만 리튬 금속 음극에서 형성되는 **덴드라이트(가지 모양 결정체)**가 배터리 수명을 단축하고, 심할 경우 내부 단락을 일으키는 치명적인 문제로 작용하고 있다. 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제하려면, 그 발생 과정과 원인을 정확히 이해하는 것이 필수적이다.
연구팀은 핵자기공명(NMR)과 자기공명영상(MRI)을 이용해 덴드라이트 형성을 실시간으로 분석했다. 그 결과, 덴드라이트는 두 가지 다른 메커니즘을 통해 형성됨을 발견했다. 첫 번째 과정은 **전극-전해질 경계에서 발생하는 비균일한 리튬 도금(Non-uniform Li plating)**으로, 빠르게 진행된다. 두 번째 과정은 리튬 이온 감소(Li⁺ reduction)에 의해 전해질 내부에서 형성되는 느린 덴드라이트 성장이다. 특히, 두 번째 과정에서는 성장 속도가 느리다가 일정 시간이 지나면 갑자기 빠르게 진행되는 "지연 성장(stalled growth)" 현상이 관찰되었다.
또한 연구진은 덴드라이트가 처음에는 비정형(amorphous) 상태로 형성되었다가 시간이 지나면서 결정화(crystallization) 되는 것을 확인했다. 이는 전해질의 결함(defect chemistry), 배터리 작동 환경 등의 영향을 받을 수 있으며, 덴드라이트 억제를 위해 전해질 구조와 리튬 이온 분포를 제어하는 것이 중요함을 시사한다. 이번 연구는 전고체 배터리에서 덴드라이트 형성 과정에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 이를 해결하기 위한 배터리 설계 및 소재 개발에 중요한 기초 데이터를 제공할 것으로 기대된다.