스마트폰에 사용되는 리튬이온배터리!! 오래쓰는 방법은?

[국이]

스마트폰에 사용되는 리튬이온배터리!! 오래쓰는 방법은?

손에서 멀어지면 허전하고 없어지면 답답해지는 휴대폰. 이제는 전화와 문자만 주고받았던 휴대폰에서 스마트폰으로 발전하여, 컴퓨터만이 할 수 있던 다양한 작업들을 폰 하나로 가능케 하는 시대가 되었습니다. 재미있는 3D 게임과 각종 정보가 넘쳐나는 인터넷을 무선으로 즐길 수 있고, 당장 사고 싶은 물건이 있을 때는 휴대폰으로 검색해서 바로 구매할 수도 있죠! 

게다가 읽어야 하는 메일과 문서들까지도 컴퓨터가 아닌 스마트폰 하나로 읽고 쓰기가 가능하니, 정말 요즘 스마트폰은 그야말로 만능 아이템입니다.


그런데 이러한 스마트폰에도 한가지 치명적인 단점이 있었으니~ 바로, 배터리! 많은 기능을 작동할 수 있다 보니 조금만 사용해도 배터리 용량표시가 뚝뚝 떨어지기 마련이죠. 그래서 스마트폰 사용자들은 외출 시 예비 배터리를 챙겨가거나, 별도의 충전기를 들고 다니며 핸드폰이 꺼지는 불상사를 막기 위해 고군분투를 하곤 합니다.


스마트폰 배터리는 대체 왜이리 빨리 닳아버리는 건지 원~ 분명히 새로 구입했던 당시엔 이 정도는 아니었는데 말이죠! TV 속 광고에서처럼 빠른~빠른 LTE를 즐기며 스마트한 라이프를 즐기고 싶은데, 점점 줄어드는 배터리의 수명 때문에 걱정이 태산이네요!


이런 배터리의 수명을 잘 관리하기 위한 방법, 어디 없을까요? 스마트폰 배터리의 수명 연장 프로젝트에 앞서, 우선 이 배터리가 대체 무엇으로 만들어졌는지~ 무슨 원리인지부터 파악해 봅시다.

둥글기도 하고 때로는 납작하기도 한 이것이 바로, 배터리의 실체~ 리튬 이온 배터리 입니다. 이 리튬 이온 배터리는 친환경적이고 충전이 가능한 2차 전지로 그 성능이 우수하다는 장점 때문에 다른 2차 전지에 비해 널리 활용되고 있죠.

리튬 이온 배터리는 크게 네 가지로 구성되어 있습니다.

구성 요소 중의 핵심인 양극재와 음극재는 용량과 안정성 등 리튬 이온 배터리의 성능을 좌우하는 아주 중요한 부분입니다. 그래서 많은 연구소에서 더 좋은 성능을 보여줄 차세대 전지를 개발하기 위해 다양한 양극재와 음극재를 만드는 데에 주력하고 있습니다. 한화케미칼에서도 친환경 에너지 자원에 대한 다양한 제품들은 연구, 개발 중에 있는데요~ 그 중 리튬 아이언 포스페이트(Lithium Iron phosphate)를 이용하여 전기차에 쓰이는 중•대용량 전지의 양극재를 생산하고 있습니다.

이외의 구성요소로는 배터리 속 리튬 이온의 이동을 도와주는 전해질과 양극재와 음극재를 나눠주는 분리막이 있습니다.

앞서 말한, 이 네 가지 구성요소는 리튬 이온 배터리에서 무엇 하나 무시할 수 없을 정도로 각각중요한 역할을 수행합니다. 리튬 이온 배터리가 충전이 될 때에는, 양극재에 있는 전자가 외부로 나오고 전선을 따라서 음극재로 이동하게 됩니다. 이렇게 전자가 이동하는 동안에 양극재에 있던 리튬 이온은 전해질을 통해 음극재로 이동하게 되죠. 즉, 배터리가 완전히 충전되었다는 것은 음극재에 리튬 이온이 있다는 것이라고 볼 수 있습니다.

반대로, 배터리를 사용하게 되면 (쉽게 말해, 스마트폰을 사용하면~) 배터리는 방전 과정을 거치게 되는데요, 충전과 반대 과정이라 생각하시면 쉬울 거예요! 전자는 음극재에서 양극재로 이동하게 되며, 리 튬이온은 전해질을 통해 양극재로 이동하게 되는 거죠.

이렇게 양극재와 음극재, 그리고 전해질이 열심히 자신의 역할을 수행하는 동안 나머지 구성요소인 분리막은 양극재와 음극재가 직접 만나는 것을 막아줍니다. 왜냐구요? 양극재와 음극재가 만나 화학적인 반응이 일어나 폭발하는 것을 막기 위해서죠.

그래서 리튬이온 배터리를 사용할 때 주의사항에 보면 충격을 가하지 말라고 하는 데요, 충격 때문에 분리막이 손상 될 경우 이와 같은 문제가 일어 날 수 있습니다. 또 전해질이 외부로 새어 나갈 경우 공기와 반응하여서 많은 열과 함께 탈 수도 있습니다. 그래서 아무리 배터리 내부가 궁금하셔도 망치를 이용해 임의로 분해하면 안 되는 것입니다.

자, 그럼 리튬 이온 배터리를 어떻게 하면 오래 쓸 수 있을까요?

가장 중요한 것은 적정 사용온도를 유지하는 것입니다. 리튬 이온 배터리 속 전해질로 많이 쓰이는 육불화인산리튬(LiPF6, lithium hexafluorophosphate)는 온도가 올라가게 되면 물과 반응하는 성질이 있습니다. 이 때문에 전해질에는 물 대신 유기용매를 이용해서 전해질을 만들게 되는 되요~ 미량에 수분만 있어도 전해질이 반응하게 되어 리튬 이온을 옮겨주는 능력이 떨어지게 됩니다.

또 온도가 높으면 양극재와 음극재의 성질도 변할 수 있는데, 이 두 물질의 성질 변화는 배터리 수명에 큰 영향을 미칩니다. 리튬 이온이 양극재 혹은 음극재에 얼마나 많이 붙을 수 있느냐에 따라 충전용량이 결정되기 때문이죠. 만약 열에 의해 두 물질의 성질이 변할 경우 용량이 영구적으로 감소하게 됩니다.

반면에 온도가 낮을 경우에는 배터리에서 일어나는 화학반응이 천천히 일어나게 됩니다. 또한 전해질은 낮은 온도에서는 점도가 높아져서 리튬 이온을 전달하는 역할을 제대로 수행하지 못합니다. 이 때문에 배터리가 완전히 충전되더라도 기기로 전기로 전달을 하기 힘들게 됩니다.

요즘과 같이 추운 날에 점차 스키장을 찾는 분들이 많은 데요, 이런 곳에서 스마트폰을 사용하게 되면 낮은 온도 때문에 배터리가 제 기능을 못하기 때문에 작동을 안 되는 경우도 종종 발생한답니다.

<자료출처 - http://www.flickr.com/photos/bitchbuzz/3349338960, BitchBuzz>

‘배터리가 완전히 충전하고 완전히 방전하면 좋다?’라고 하는데, 과연 이 말이 사실일까요? 과거에는 그 말이 정답이지만 현재는 틀렸다고 말하는 것이 정확할 듯합니다. 예전에는 니켈 카드늄 배터리를 많이 사용했죠. 이 배터리에 경우 메모리 효과라고 배터리가 전에 충전된 양을 기억하는 경향이 있어 완전 충전 & 완전 방전하는 것이 좋다고 합니다.

예를 들어 니켈 카드늄 배터리를 80%만 충전된 상태로 계속 사용할 경우, 이 상태를 100%로 기억하는 성질이 있어 그 이상 충전을 해도 사실상 충전은 되지 않았습니다. 반대로 배터리의 최저 상태가 0%가 아닌 10% 남았는데도 이를 최저상태로 인식했습니다. 결국 배터리의 용량 100%를 다 사용할 수 없었던 거죠.

반면 리튬 이온 배터리는 이러한 현상이 나타나지 않습니다.

리튬에서는 니켈에서 나타나는 ‘메모리 현상’ 이 없는 것으로 알려져 있는데요~ 리튬 이온 배터리의 경우 충전 시, 리튬 이온이 양극재와 음극재를 이동하면서 두 물질의 미세한 구조를 변화시키기 때문에 완전 충전과 방전을 반복할 시 문제를 일으킬 수 있다고 합니다.

따라서 리튬 이온 배터리를 완전 충전했을 경우 더 이상 충전을 하지 않는 것이 배터리를 오래 쓰는 데에 도움이 된다고 하네요! 하지만 가끔은 배터리를 완전 충전하였다가 완전 방전하는 것이 필요하기도 한데요~ 배터리의 잔류량을 알려주는 장치가 가끔 오류가 나서 잘 못 알려주는 경우가 있기 때문입니다. 바로 이럴 때 완전 충전과 방전을 하면 한번 정도 해주면 오류가 고쳐진다고 하니, 꼭 알아두세요^^

지금까지 리튬 이온 배터리를 오래오래 쓸 수 있는 방법에 대해서 알아 보았습니다. 다소 복잡하게 생각되신다면 <리튬이온 배터리 수명 연장 총정리> 보시고 따라해 보세요~ 아마, 지금보다 더 많이 더 오래 배터리를 사용하실 수 있을 거예요.

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- 참고문헌 –

한화케미칼 http://hcc.hanwha.co.kr

한화케미칼 블로그 http://www.chemidream.com/

바이패스 콘덴서나 휴대전화 등에 보급되는 리튬이온전지, 藤田 茂, 월간 전자기술

리튬이온 배터리 장수 비결은 올바른 충방전에, 전자엔지니어, www.eetkorea.com