리튬이온 배터리 완전 방전 - lityum-ion baeteoli wanjeon bangjeon

연구팀이 전자현미경을 이용해 2차 상 변화에 따른 전극의 구조 변화를 관찰한 결과, 2차 상 변화에 따라 에너지 장벽이 높아지면서 이산화타이타늄 전극 내부에서 리튬이온 이동이 쉽게 일어나지 못하는 것으로 나타났다.

마치 동맥경화처럼 전극 내에 리튬이온이 쌓이다가 충·방전 과정이 거듭되면 이산화타이타늄 나노입자가 쪼개지면서 전극에 결함이 발생하게 된다.

성영은 부연구단장은 "최근 전기자동차에 대한 수요가 늘면서 배터리 성능에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다"며 "이번 연구를 통해 안정적이고 오래 사용할 수 있는 차세대 배터리 설계에 기여할 것"이라고 말했다.

후배가 “새 노트북이 80%밖에 충전이 안 돼요”라고 불평했다. 아무래도 야외에서 사용해야 하는 경우가 많다 보니 80%만 충전되는 배터리가 불안한가 보다. 하지만 제조사에선 이유가 있기에 제한 설정을 해두지 않았을까?

요즘 대부분의 모바일 기기에는 리튬-이온이나 리튬-폴리머로 구성된 리튬 이차배터리가 들어간다. 기기의 성능은 많은 발전을 했지만, 배터리 성능은 크게 발전하지 못했다. 또 갈수록 얇아지는 디자인에 배터리의 공간도 줄어들고 교체도 어렵다.

막무가내로 사용하다간 스마트폰이나 노트북의 배터리 수명을 기준만큼 사용하지 못한다. 짧아진 배터리 수명은 기기의 수명을 줄이기도 한다. 좀 더 오래 배터리 수명을 연장하는 팁을 알아보자.

◇0% 안 돼요

예전에 사용하던 니켈-카드뮴, 니켈-수소 배터리는 100% 충전해서 0%까지 사용하는 게 효율적이었다. 메모리 효과 때문이다. 자주 충전 방전을 반복하면 전지의 용량이나 특정 구간에서 전압이 떨어지는 현상이 발생했다.

하지만 요즘 많이 사용되는 리튬 이차 배터리에서는 메모리 효과가 거의 일어나지 않는다.

반대로 리튬 이차 배터리 수명을 가장 단축시키는 것이 0% 방전이다. 0% 방전이 되면 배터리 음극집전체에 불순물이 생겨 저항이 높아지게 된다. 높은 저항은 용량 저하로 이어진다. 스마트폰의 경우 1%에서 꺼지게 설정이 되어 있지만 자연 감소가 되기 때문에 방전된 상태로 두게 되면 0%가 돼 버린다. 이미 방전된 상태라면 즉시 충전하는 것이 바람직하다.

◇80~20 구간을 지켜라

리튬 이차 배터리는 80~20% 구간을 지키면서 자주 충전해주는 게 좋다.

배터리의 80~20% 구간을 플래토 구간이라고 한다. 이 구간을 반복하는 것이 리튬 이차 배터리를 가장 효율적으로 사용하며 배터리 수명을 늘릴 수 있다.

0~100%까지 한 번 충전하는 양을 1사이클이라고 한다. 리튬 이차 배터리가 300~500회 충전이 가능하다면, 0%방전과 과충전을 자주 하다 보면 300회 사이클만 지나도 처음 배터리 용량보다 70% 이하로 떨어질 수 있다. 반면 20~80% 구간에서 자주 충전하면 1000회 이상의 사이클에서 80% 이상의 성능을 유지할 수 있다.

◇과충전도 안 좋아요

스마트폰 배터리 용량이 하루가 안 되다 보니 잠들기 전에 충전을 시켜두고 자는 경우가 많다.

특히 노트북은 항상 전원을 연결해두고 사용하는 경우가 많다. 최근에 나온 제품들은 80%에서 충전을 멈추는 기능이나 100%에서 미세충전을 막아 과충전을 방지하는 기능들이 있지만. 오래된 노트북에서는 지원 못 하는 경우도 있다. 완충된 상태에서 전원 케이블이 연결되어 있으면 배터리 열화 가능성이 있는 만큼 가급적 분리하는 것이 좋다.

◇추워도 더워도 싫어요

한국전기연구원에 따르면 온도가 60도 이상 올라가면 배터리 부품 자체에 손상이 발생할 수 있다고 한다. 무릎 위에 노트북을 올려놓고 사용하거나 디스플레이를 닫은 상태에서 충전하는 습관은 가급적 자제하자. 여름철 장시간 차내에 방치하는 것 또한 좋지 않다.

또 추운 겨울철에는 배터리의 전반적인 화학반응이 느려지고 내부저항이 증가하여 배터리가 평소보다 빨리 닳는다. 옷 속에 보관하거나 파우치에 넣어 따뜻하게 유지하는 것이 좋다.

몇 달 동안 자리를 비우거나 장시간 사용하지 않을 경우 배터리를 100% 충전한 상태에서 보관하는 것이 좋다. 자기 방전을 줄이기 위해서는 냉장실이나 냉동실의 저온에 넣어두는 것이 좋다고 한다.

◇급속충전보다는 일반충전

리튬 이차 배터리 충전은 리튬이온이 충전 물질 속 결정 구조로 들어가는 것인데, 급속충전기의 높은 전류로 급속히 전지를 충전하면 전극 재료 내부의 농도 편차가 증가하고 이는 배터리 성능에 악영향을 미치는 원인이 된다. 따라서 급한 상황을 제외하고는 급속충전을 자제하는 것이 좋다. 급하게 충전을 하고 싶다면 비행모드나 전원을 끈 상태에서 충전하는 것이 휴대전화가 충전에 집중할 수 있어 더 빨리 충전된다.

◇최신 OS(운영체제)로 업그레이드

스마트폰의 경우 배터리 효율을 높이기 위해 제조사에서 많은 공을 들이고 있다. 최신 OS일수록 저전력 동작과 배터리 관리기능이 우수하다.

노트북의 경우 윈도OS에서도 전원관리 프로그램이 탑재되어 있으며, 제조사마다 별도 전원관리 프로그램을 지원하고 있다. 충전 시작 기준이나 최대 충전 중지 기능을 설정할 수 있다.

◇디스플레이 밝기를 낮추자

배터리 사용이 가장 많은 부문이 디스플레이다. 특히 LCD의 경우 백라이트가 빛을 내는 데 많은 전력을 소모한다. 사용자가 불편하지 않은 선에서 디스플레이 밝기를 낮추면 배터리 지속 시간이 늘어난다. 어두운 색상의 배경화면을 사용하는 것도 효과가 있다. 자동 밝기 조절 기능을 활용하는 것도 방법이다.

◇불필요한 기능은 끄자

배터리 지속 시간을 가능한 한 오래 유지하고 싶다면 평소에 안 쓰는 기능은 꺼두는 습관을 들여야 한다. GPS, 블루투스, 와이파이, 애플리케이션을 항시 켜두면 배터리를 소모하는 주범이 된다.

위치정보는 필요한 앱만 사용하라. 시간대 설정, 위치기반 광고나 알람 같은 기능은 꺼 두는 게 좋다. 알림도 필요한 앱만 사용한다. 진동보단 벨을 사용하는 것이 배터리 소모가 적다.

A1) 배터리 내부에는 양극, 음극, 분리막, 전해액 등의 구성요소등이 있고 이온의 이동과 전자가 도선을 통해 이동하는 전기에너지를 활용합니다. 리튬이온이 음극으로 이동하며 전자가 이동하는 것이 충전 반응이며 이에 대한 역반응이 방전 반응입니다.

Q2) 기존 건전지와 리튬이온배터리는 어떤 차이가 있나요?

A2) 건전지와 리튬이온배터리를 구성하는 물질 자체가 다릅니다. 건전지 안의 물질은 한 번 사용하고 나면 재사용을 할 수 없고, 리튬이온배터리의 경우는 방전이 되더라도 충전을 통해 재사용을 할 수 있는 물질들로 구성되어 있습니다.

Q3) 리튬이온배터리가 스마트폰 이외에 어디에 사용되고 있나요?

A3) 실제로 콘센트에 플러그를 꼽아서 사용하고 있지 않는 모든 휴대용 기기 내에는 배터리가 사용되고 있다고 생각하시면 됩니다. 예를 들어 무선 이어폰, 노트북, 전동공구, 전기자전거, 전기자동차, 전동 킥보드 등 다양한 어플리케이션에 리튬이온배터리가 사용되고 있습니다.  리튬이온배터리가 작지만 더 많은 에너지를 낼 수 있고, 메모리효과도 없기 때문에 지금 현재 가장 뛰어난 배터리이기 때문에 다양한 어플리케이션에 활용되고 있습니다.

Q4) 배터리를 자주 충전해도 괜찮은가요?

A4) 리튬이온배터리는 과거에 사용되던 전지처럼 완전 방전되지 않은 채 충전을 하면 실제 용량이 줄어드는 ‘메모리 효과'가 없기 때문에 자주 충/방전을 해도 문제가 없습니다. 리튬이온배터리는 기본 특성이 0~100% Full Range로 충·방전 하는 것보다 짧은 영역으로 자주 충·방전하는 것이 배터리 수명이 오래갑니다. 삼성SDI는 Full Range로 충·방전해도 사용에 불편하지 않도록 배터리를 개발하고 있습니다.

Q5) 급속 충전을 하면 배터리에 악영향을 주나요?

A5) 최근에 개발된 배터리들은 정상적인 급속 충전기를 함께 사용한다면 문제가 없습니다. 초기 리튬이온배터리에서 급속 충전을 하면 내부 소재들이 쉽게 열화되어 배터리의 성능이 저하되는 문제가 발생하기도 했지만 최근에는 소재기술이 향상되어 급속 충전이 기본이라 할 만큼 대응가능한 배터리들이 출시되고 있습니다.

Q6) 충전기를 꽂은 상태에서 IT기기를 사용하면 배터리 수명이 줄어드나요?

A6) 전원을 꽂는다는 것은 외부에서 전기를 받아들이는 과정입니다. 그 전기의 일부는 IT기기를 사용하는 데 직접 쓰이고, 일부는 배터리 충전에 사용됩니다. 따라서 충전속도가 느려질 뿐 배터리 자체에는 아무 문제가 없습니다.

A7) 충전을 할때 충전 전류를 배터리가 전부 받아들일 수 있다면 더 빠르게 충전할 수 있습니다. 예를 들면 배터리를 충전할 때 게임이나 인터넷 등 다른 기능들을 사용하지 않는다면 가장 빠르게 충전을 할 수 있는 것이죠. 또한 사용자들이 배터리의 빠른 충전에 대한 니즈를 높이고 있기 때문에 삼성SDI에서는 배터리의 충전속도를 빠르게 하는 기술을 개발하고 있습니다. 

Q8) 리튬이온배터리가 온도에 영향을 많이 받나요?

A8) 기본적으로 온도가 낮아지면 배터리의 전반적인 화학반응이 느려집니다. 온도가 낮아질수록 배터리의 내부 저항이 증가하고, 리튬이온의 이동 속도가 저하되며 배터리 전압또한 낮아집니다. 따라서 충분한 전기를 만들지 못하게 됩니다.

고온에서는 저온과 같은 성능 저하는 없지만 무더운 여름철 한낮에 35도 이상이 되고 뜨거운 태양열까지 내리쬔다면 배터리의 온도는 100도에 육박할수 있습니다. 실생활 온도를 벗어난 고온에 IT기기들을 방치하면(배터리 기준 55도 이상) 내부 과열로 인해 배터리 수명이 줄어들고, 부품 손상이 발생할 수 있으니, 휴가지에서는 햇볕에 IT기기들이 직접 노출되지 않도록 주의해주세요.

Q9) 배터리를 냉장고 안에 넣어두면 오래 사용할 수 있나요?

A9) 그렇지 않습니다. 냉장고 안에 배터리를 넣어두는 시간만큼 배터리가 구동을 하지 않아 잠깐 에너지를 버는 것일 뿐이고, 그렇게 발생되는 에너지의 양도 미미하기 때문에 사용시간과는 크게 연관이 없습니다.

Q10) 배터리 사용시간이 얼마 안 남았을 때, 따뜻하게 해주면 더 오래 쓸 수 있나요?

A10) 앞서 말씀드린 것처럼 온도가 살짝 높아지면 배터리 내부 화학반응이 활발해지기 때문에 좀 더 에너지를 사용할 수 있습니다. 하지만 에너지를 생성하는 비율이 굉장히 미미합니다. 그래서 삼성SDI에서는 좀 더 배터리를 오래 사용할 수 있는 방법들에 대해 지속적인 연구를 하고 있습니다.

Q11) 여름철 배터리 사용에 있어 특히 주의할 점은 무엇인가요?

A11) 배터리는 내부 물질들이 온도에 따라 반응을 일으킬 수 있는데요. 온도가 60℃가 넘어가면 배터리 내부 성분들이 반응을 일으켜 가스가 발생할 수도 있습니다. 따라서 리튬이온배터리가 장착된 기기들은 고온에서 보관하지 않는 것이 좋습니다.

Q12) 배터리가 간혹 부풀어 오르는 데 그 이유는 무엇인가요?

A12) 배터리를 충전할 경우에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하고, 반대로 배터리가 방전될 때는 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동합니다. 이동한 리튬이온은 양극이나 음극에 흡수되는데, 흡수될 때 재료의 부피가 늘어나게 됩니다. 지속적이 충·방전을 하더라도 리튬이온이 빠져나가면 원래의 초기 부피로 복원이 되야 하는데 그러한 소재 성능이 저하되어 점차적으로 전극이 불어나 배터리가 부풀게 됩니다. 삼성SDI에서는 배터리 개발할 때 배터리 부품 현상 뿐 아니라 다양한 안전성 테스트를 거쳐서 출시하고 있습니다.