스마트폰 배터리는 왜 점점 빨리 닳을까: 리튬이온 배터리의 원리
새 스마트폰은 하루 종일 가는데, 2년쯤 지나면 오후만 돼도 충전기를 찾게 됩니다. 배터리가 닳았다는 말은 무엇이 닳았다는 뜻일까요? 연료처럼 줄어드는 것은 아닙니다. 리튬이온 배터리는 리튬 이온이 양쪽을 오가며 전기를 저장하는 장치이고, 시간이 지나면 이 왕복이 조금씩 어려워집니다.
- 충전하면 리튬 이온이 양극에서 음극으로, 쓰면 음극에서 양극으로 이동합니다.
- 쓰고 충전할수록 내부에 변화가 쌓여 저장할 수 있는 양이 조금씩 줄어듭니다.
- 가장 큰 적은 높은 온도입니다.
배터리 안에는 무엇이 있을까
리튬이온 배터리의 기본 구성은 음극, 양극, 분리막, 전해질입니다. 음극은 흔히 흑연으로, 양극은 리튬 화합물로 만듭니다. 전해질은 이온이 지나다니는 통로이고, 분리막은 두 극이 직접 닿아 합선되는 것을 막습니다.
중요한 점이 있습니다. 전해질로는 이온만 지나가고, 전자는 지나가지 못합니다. 전자는 바깥 회로로 돌아가야 합니다. 바로 그 전자의 흐름으로 우리가 스마트폰을 쓰는 것입니다.
충전기를 꽂으면 외부 전원이 이온을 다시 음극으로 밀어 넣습니다. 이온은 음극 재료의 층 사이에 끼어 들어가 머뭅니다. 이것을 삽입 반응이라고 합니다. 책장에 책을 꽂았다 뺐다 하는 모습을 떠올리면 쉽습니다. 재료를 태워 없애는 것이 아니어서 수백 번 되풀이할 수 있습니다.
왜 조금씩 줄어들까
왕복이 완벽하지는 않습니다. 음극 표면에는 충방전 과정에서 고체 전해질 계면(SEI)이라는 얇은 막이 생기는데, 이 막이 두꺼워지면 리튬 이온의 이동을 방해합니다. 막을 만드는 데 쓰인 리튬은 다시 일하기 어려워집니다.
애플은 이것을 충전 주기를 거듭하며 용량이 조금씩 줄어드는 현상으로 설명하고, 자사 배터리가 많은 충전 주기 뒤에도 원래 용량의 80%를 유지하도록 설계되었다고 안내합니다. 배터리가 갑자기 망가지는 것이 아니라, 책장이 조금씩 좁아지는 것에 가깝습니다.
온도가 가장 중요합니다
화학 반응은 온도가 높을수록 빨라집니다. 원치 않는 반응도 마찬가지입니다. 그래서 더운 곳에 두면 쓰지 않아도 배터리가 늙습니다. 애플의 안내 값은 다음과 같습니다.
추우면 어떨까요? 이온의 움직임이 둔해져 배터리가 금방 떨어지는 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 이것은 대개 일시적이어서, 따뜻해지면 돌아옵니다. 열로 인한 손상은 되돌릴 수 없다는 점이 다릅니다.
원리대로 오래 쓰는 법
- 뜨거운 곳 피하기: 여름철 차 안, 직사광선 아래에 두지 않습니다.
- 충전 중 열 줄이기: 충전하면서 뜨거워지면 케이스를 벗겨 열을 빼 줍니다.
- 오래 안 쓸 때 절반쯤 충전: 애플은 약 50%로 충전해 서늘한 곳에 보관하고, 6개월이 넘으면 다시 50%로 충전하도록 권합니다.
- 완전 방전 피하기: 완전히 비운 채로 오래 두면 다시 충전되지 않을 수 있습니다.
정리
배터리가 닳는다는 것은 리튬 이온이 오갈 길과 자리가 조금씩 줄어든다는 뜻입니다. 완전히 막을 수는 없지만, 온도를 관리하면 속도를 늦출 수 있습니다. 부풀어 오른 배터리는 쓰지 말고 바로 서비스센터에 맡기시기 바랍니다.
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