스마트폰이나 보조배터리, 전기차까지 두루 쓰이고 있는 리튬이온 배터리의 구조에 대해 알아보겠습니다. 그리고 어떠한 원리로 고속충전이 가능한 것인지, 그 부작용은 무엇인지도 살펴볼게요.
리튬이온 배터리의 구조
일반적으로 스마트폰과 전기자동차에 사용되고 있는 리튬이온 배터리의 내부 구조입니다. 배터리가 충전되고 방전되는 원리는 단순합니다.
- 충전 : 리튬 이온이 양극(+) 에서 음극(-)으로 이동
- 방전 : 리튬이온이 다시 양극으로, 전자가 도선으로 이동
단계별 현상
① 완전 방전 상태에서는 안정적인 리튬 산화물 상태로 양극에 붙어있습니다.
② 충전이 시작되면 리튬이 전자와 분리되어 이온 상태가 됩니다. (산화)
③ 리튬 이온은 전해액을 거쳐 양극에서 음극으로 이동합니다.
④ 배터리 사용을 위해 외부에 부하가 걸리고 양극 음극이 도선으로 연결됩니다.
⑤ 리튬이 다시 이온 상태로 전해액을 거쳐 양극으로 가고, 분리된 전자는 도선으로 이동합니다.
⑥ 리튬 이온은 양극에서 다시 전자와 결합해 리튬 원자가 됩니다. (환원)
부연설명
③에서 전자는 극성이 (-)인데 어떻게 음극 쪽으로 가냐면 충전기가 음극의 전압을 인위적으로 높여서 전자를 끌어당기기 때문입니다. 즉 인위적으로 전자를 분리해서 리튬 이온을 만들고 전자는 도선을 통해 음극으로, 리튬 이온은 전해액을 통해 음극에서 다시 전자와 만나 전기적 중성을 이루게 됩니다.
⑤에서는 충전기에 의해 억지로 음극에 와서 붙어있던 불안정한 상태의 리튬과 전자가 분리됩니다. 그러면 전자는 자연스럽게 전위가 높은 양극으로 가려고 하는데, 이 때 전해액은 전자가 이동할 수 없는 물질로 만들어서 도선을 통해서만 가게 됩니다. 리튬 이온도 양극으로 가서 전자와 만나고 다시 안정적인 리튬산화물 상태로 돌아가려고 하는 것입니다.
고속충전 원리
그러면, 이렇게 충방전하는 리튬이온 배터리를 고속충전 시키는 것은 어떤 원리일까요?
스마트폰 배터리의 용량이 늘어나면서 충전 시간의 단축이 필요해졌습니다. 대용량 배터리를 쓴다고 충전 시간까지 예전의 3배 5배 이렇게 된다면 사용자가 매우 불편하겠죠. 그래서 고속충전 기술이 발달하게 되었는데요.
갤럭시 S23 울트라의 배터리 용량인 5000mAh 기준으로 예를 들어 보겠습니다. 배터리 용량 5000mAh 단위를 환산하면 18.5Wh로 나타낼 수 있습니다.
이것을 5V 1A 일반 충전기에 꼽아서 충전을 한다고 가정했을 때 걸리는 시간은 18.5Wh/5W=3.7시간 입니다.
고속충전 종류와 갤럭시 기종별 지원사양 글에서 설명드렸듯이 최신 고속충전 기술은 정격출력 15W/25W 그리고 45W 이상 지원하기도 합니다.
만약 15W 고속충전기로 연결했다면 1.23시간, 25W 짜리에 연결했다면 0.74시간만에 완충할 수 있습니다. (물론 배터리 보호를 위해 후반부로 갈수록 충전 효율을 낮추게 되지만 일단은 넘어갑시다)
즉, 전압과 전류의 곱인 W가 높아야 충전 시간이 빨라집니다. 전류 A는 도선 발열 때문에 무작정 높일 수 없기 때문에 주로 전압을 높이는 기술들이 사용됩니다.
급속충전의 부작용
결국 전압을 높여서 강제로 리튬이온을 더 빨리 이동시키는 것이 급속충전의 원리인 셈인데요. 이렇게 할 경우 어떤 부작용이 있을까요?
기본적으로 고속충전 한다고 배터리에 문제가 생기거나 수명에 큰 영향을 끼치지는 않습니다. 하지만 부가적인 것들에 다소 영향을 받을 수 있는데요.
- 발열
- 과충전
- 충전 횟수
이와 같은 요인들이 배터리 수명을 단축시키는 원인이 됩니다.
급속충전시 금방 100% 완충이 되고, 계속 충전기에 꼽혀 있으면서 과충전을 하게 되지요. 하지만 최신 제품들은 완충 후 자동 차단하는 기능이 기본적으로 탑재되어 있습니다. 또한 완충에 가까울수록 배터리에 스트레스가 가해지게 되는데, 이를 보호하기 위해 전압을 점차 낮추는 기술도 적용되어 있습니다.
오히려 반대로 완전 방전하는 것이 배터리 수명에 좋지 않다고 합니다. 완전 방전되면 최소 전압까지 낮아지면서 전극이 열화되어 성능이 떨어질 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 가급적 40~80% 선에서 유지하는 것이 권장됩니다.
이차전지 리튬이온 배터리의 수명에 가장 큰 영향을 주는 것은 충전 횟수입니다. 편리한 무선충전 방식으로 자주 조금씩 충전해 주는 것은 성능 면에서 좋지 않습니다.
또 충전기를 꼽은채 게임을 한다던지 해서 발열이 나지 않도록 해야 합니다. 배터리는 산화 환원 화학 반응으로 이루어지기 때문에 고온 상태로 오랫동안 있을 경우 내구성에 문제를 야기할 수 있습니다.
