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추우면 배터리가 빨리 닳는다?!

코끝에 찬 바람이 닿을 때, 각종 스마트 기기의 ‘배터리 점검’은 필수입니다. 아무래도 기온이 낮아질수록 성능이 낮아지는 건(!) 피할 수 없는 숙명이니까요. 스마트폰이나 노트북은 물론, 같은 종류의 리튬이온 배터리를 사용하고 있는 전기차도 상황은 크게 다르지 않습니다.

갑작스러운 배터리 방전으로 당황하지 않으려면 평소 배터리 특성을 정확하게 이해하고 있어야 합니다. 스마트폰이야 그렇다 치고, 전기차를 도로 위에 멈추게 내버려 둘 순 없으니까요.
온도가 낮은 겨울철에는 배터리의 화학반응이 느려집니다. 스마트폰, 노트북, 전기차와 같이 2차 전지에 주로 쓰이는 리튬이온 배터리는 크게 양극과 음극, 분리막, 전해액으로 구성돼 있어요. 음극에서 리튬원자는 리튬이온(Li+)과 전자로 분리되고, 전자는 배선을 따라 이동하지요. 이게 바로 전기를 공급하는 전류입니다. 이때 리튬이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하고, 양극에서 다시 전자와 결합하는 겁니다. 그런데 온도가 낮아질수록 전지 내부 리튬이온의 이동 속도가 떨어지는 현상이 나타나요. 이렇게 되면 전지의 내부저항이 증가해 배터리의 전압이 낮아지고, 빨리 닳게 되는 것이죠. 그래서 이와 같은 이유로 겨울철엔 배터리를 온도가 낮은 외부에 보관하는 것보다는 헝겊 재질의 케이스나 파우치를 이용해 따뜻하게 보관하는 게 좋다고 알려져 있죠.

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저온에서 배터리 성능 저하 문제 해결할 단서 발견

그런데 지금까지 추운 날씨에 배터리 성능이 줄어드는 원인에 대해 이렇다 할 학문적 근거는 없었는데요. 최근 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 저온에서의 배터리 성능 저하 문제를 해결할 단서를 발견했다는 소식을 전했습니다.

연구진이 온도에 따른 리튬이온 배터리 전해액의 용매 구조 ★를 관찰했더니, 기존 알려진 것과 다른 구조를 확인하고 이를 발표한 겁니다. 리튬이온 용매 구조★는 리튬이온이 전해액에 녹을 때(용매화) 리튬이온과 주변의 음이온 혹은 용매 분자들이 이루는 구조를 말합니다.
또, 리튬이온이 전해액에서 전극으로 이동하는 것을 ‘탈용매화 과정☆’이라고 부르는데요. 연구진은 탈용매화 과정☆의 시작 단계인 리튬이온 용매 구조를 집중적으로 분석했다고 합니다.

지금까지는 리튬이온 용매 구조는 리튬이온을 중심으로 4개의 분자가 있는 4배위의 정사면체 구조(tetrahedral structure)★를 이루고 있다고 알려져 있었습니다.

리튬이온 배터리 전해액의 구조. IBS 제공.

연구진은 상온(26.85℃, 300K)부터 영하 33.15℃(240K)까지 온도를 변화시키면서, 리튬이온 용매 구조와 이온화 과정을 관찰했습니다. 그 결과 리튬이온 용매 구조가 기존에 알려진 것처럼 정사면체 모양으로 고정된 것이 아니라, 용매 환경에 따라 3배위, 4배위, 5배위 등 다양한 구조를 가진다는 것이 확인할 수 있었습니다.

이번 연구를 이끈 조민행 단장은 “기존 리튬이온 용매 구조에 대한 지배적인 통념이 실제와 다르다는 것을 보여준 중요한 연구”라고 강조하면서, “저온에서도 성능이 저하되지 않는 새로운 배터리를 설계하기 위한 중요한 단서를 제시했다는 의미가 있다”고 설명했습니다.

이 연구 결과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 국제학술지 ‘Journal of Physical Chemistry Letters’ 2022년 8월 18일자에 소개됐습니다.

리튬이온 배터리, 완전 방전은 피해야

리튬이온 배터리는 충전 횟수가 증가할수록 내부저항이 커져 화학반응도, 충전 속도도 느려집니다. 그래서 장기간 사용한 배터리는 에너지 저장 능력이 떨어지죠. 사용자가 평균 2년 정도 사용하는 스마트폰도 기온과 계절에 상관없이 배터리 성능이 서서히 줄어드는 걸 체감할 수 있을 정도니까요.

스마트폰 배터리 수명을 조금이라도 늘리고 싶은 사용자라면, 적어도 완전 방전은 피해야 하겠습니다.

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리튬이온 배터리는 전압이 기준 아래로 내려가면, 내부에서 전자를 주고받는 ‘집전체’라는 구성 회로가 손상돼 성능이 떨어진다고 알려져 있습니다. 따라서 리튬이온 배터리를 사용하는 전자기기는 배터리 잔량이 0%가 되지 않게 틈틈이 충전하는 게 좋다고 해요.

물론 배터리는 잔량이 0%로 나타나도, 내부에 아주 작은 일부 에너지는 남아 있는 상태이긴 합니다. 배터리의 종류와 크기, 사용하는 기기 특성에 따라 조금씩 다르긴 하지만 보통 일정 시간이 지나면 잔류 에너지가 모여 전원이 켜지기도 해요. 잔류 에너지가 평형을 이룬 상태가 된 덕분인데요, 이때 냉장고나 찬 외기에 노출하는 저온 상태로 유지한다면 내부 에너지가 평형에 도달하는 동안 자기방전 저항이 줄어들어 조금 더 많은 에너지를 얻을 수 있다고 해요. 배터리가 방전 상태에 가깝다면, 충전 속도를 높이는 방법도 알아두면 좋겠죠. 이럴 땐 조금 따뜻한 곳으로 이동하면 상대적으로 충전 속도와 성능을 높일 수 있어요. 온도가 높아지면 배터리 내부의 화학반응 속도가 빨라지고 내부저항도 감소하기 때문이죠. 또, 스마트 기기라면 전원을 끄거나 비행기 모드에서 충전하면 통신 전력을 줄일 수 있어 속도를 높일 수 있다고 해요. 더 나아가 디스플레이 화면 밝기를 낮추거나, 백그라운드에 켜져 있는 사용하지 않는 애플리케이션을 종료하는 것도 꽤 도움이 된다고 합니다. 전원을 끄면 전력 소모 자체가 줄어들기 때문에 속도가 더 빨라지고요.

본격적으로 다가오는 겨울철, 미리미리 리튬이온 배터리에 대한 정보를 얻어 배터리 수명을 지켜보세요. 가까운 미래에 기온에 따라 달라지는 배터리 성능 저하 원인이 밝혀져 더욱 윤택해질 삶을 기대해 보자고요!

본 콘텐츠는 IBS 공식 포스트에 게재되며, https://post.naver.com/ 에서 확인하실 수 있습니다.