배터리 수명이 짧아지는 이유

 

스마트폰을 오래 사용하다 보면 배터리 수명이 줄어드는 것을 경험해보셨을 텐데요. 그 이유는 무엇일까요? 배터리의 수명은 충전과 방전이 반복되면서 점차 감소하는데, 그 원인은 배터리의 주요 구성 요소 중 하나인 음극에 있습니다.

 

배터리 구조와 작동 원리

배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질의 네 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 리튬 이온 배터리의 경우, 음극은 층상 구조를 가진 흑연으로 만들어지는데요. 이 층상 구조는 아파트나 책장처럼 분리된 공간을 가진 형태라고 생각하면 이해가 쉽습니다.

 

반응형

 

배터리가 충전되는 과정에서는 흑연의 층상 구조 사이에 박혀 있는 리튬 이온이 전해질을 통해 분리박을 거쳐 양극으로 이동하게 됩니다. 반대로, 배터리가 방전되는 과정에서는 양극에서 음극으로 리튬 이온이 이동하면서 전기 에너지를 발생시키죠. 이제 배터리의 작동 원리를 알았으니 왜 배터리의 수명이 감소하는지 알아볼까요?

 

배터리 수명 감소의 원인

문제는 리튬 이온이 흑연의 틈에 박히면서 흑연의 부피가 커진다는 것입니다. 이 과정이 반복되면 흑연 구조에 미세한 변화를 일으키면서 배터리의 수명이 감소하게 되는데요. 또, 충방전 과정에서 흑연의 부피 변화를 감안해 배터리를 만들 때부터 일정 수준의 여유 공간을 두게 되고 이 공간만큼 배터리의 용량을 포기하게 됩니다.

 

 

이러한 문제를 해결하기 위해 배터리 업계에서는 충방전 과정에서 음극이 팽창하는 것을 막는 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 또, 흑연에 이어 실리콘을 차세대 음극 소재로 활용하려는 연구와 개발도 진행 중인데요. 실리콘은 흑연보다 에너지 밀도가 높지만, 충방전 과정에서 부피의 변화가 더 크게 나타나는 문제가 있습니다. 이를 해결하기 위해서 실리콘 구조를 안정화시키는 방안을 찾고 있죠.

 

이처럼 배터리의 수명은 그 구조와 작동 원리, 충방전 과정에서 일어나는 물리적 변화에 의해 결정됩니다.