리튬 이온 배터리 올바른 사용법, 관리 방법

리튬 이온 배터리

노트북이나 휴대폰, 스마트 워치 등 대부분의 휴대용 전자제품에 공통적인 전원으로 사용되는 부품이 리튬 이온 배터리입니다. 잘 못 사용하면 수명이 짧아지거나 부풀고 심지어 폭발할 수도 있는 리튬이온 배터리의 올바른 사용법과 관리 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다.

리튬 이온 배터리의 특징

리튬 이온 배터리는 명칭 그대로 원소 기호 Li인 물질, 리튬의 이온화 과정에서의 전위 차이를 이용하여 방전하고 다시 충전하는 배터리입니다. 실제 리튬 이온 배터리의 구조는 훨씬 복잡하고 이해하기도 어렵지만 간단하게 양극(Cathode)과 음극(Anode) 그 사이의 전해질 용액과 분리막 등으로 나누어 볼 수 있습니다. 아래 리튬 이온 배터리 구조와 동작 원리에 대한 그림을 참조하시기 바랍니다.

 

일반적으로 양극은 얇은 알루미늄 소재에 리튬 화합물을 포함하여 전도성과 내구성을 높이는 물질을 코팅하여 만드는데  용량과 전압 등 배터리의 특성을 결정하는 중요한 부품입니다. 리튬을 많이 포함하면 배터리의 전류 용량이 커지고 반대편의 음극에 비해 전위차가 크면 전압도 커지기 때문입니다. 충전 시에 리튬 이온을 내놓고 방전 시에 다시 거둡니다.

 

음극은 구리 소재를 기본으로 안정적인 구조의 흑연(Graphite)이 입혀지며 기타 전도성과 내구성 재료가 보강됩니다. 음극은 사용되는 물질에 따라 전위차가 크지 않은 반면 양극은 물질에 따라 상대적으로 전위차가 크기 때문에 양극을 어떻게 구성하는가가 최종 배터리 전압을 결정하는 주요 요소입니다. 리튬이온을 흡수하거나 방출하면서 전류를 흐르게 역할을 합니다.

 

리튬이온 배터리의 구조와 동작 원리

 

전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 잘 이동하도록 하는 역할을 하는 액체인데 일반적으로 디에틸카보네이트 (DEC), 에틸메틸카보네이트 (EMC), 디메틸카보네이트 (DMC) 등과 같은 유기 용제로 만들어지며 유전 상수와 점도가 낮으며 휘발성이 높은 특징이 있습니다. 이 때문에 온도가 올라가면 가스가 내부에 발생됩니다.

 

위의 그림의 적색 화살표와 같이 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하고 방전 시 즉 전자 장치의 사용 시에는 반대로 음극에서 양극 쪽으로 리튬 이온이 이동합니다. 전자는 외부 도선을 통해 리튬 이온과는 반대 방향으로 이동합니다. 전자가 전해액 내부로 흐르는 것은 단락(Short)이므로 큰 전류와 열이 발생하여 폭발은 열폭주가 나타나기도 합니다. 

 

전해액 중간을 분리하는 분리막은 배터리의 안전성을 유지하는 매우 중요한 부품으로 양극과 음극이 서로 섞이지 않도록 물리적으로 막으면서 내부의 미세한 구멍을 통해 리튬 이온은 이동할 수 있도록 하는 역할을 합니다. 일반적으로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)과 같은 합성수지로 만든 멤브레인이 분리막 제조에 사용됩니다. 

리튬 이온 배터리의 올바른 사용법과 관리 방법

리튬 이온 배터리의 구조적인 특성과 동작 원리로 인해 과충전, 과방전, 과열이 배터리의 수명과 안전에 가장 좋지 않습니다. 과충전은 전해액을 분해하여 가스를 발생시키고 음극에 한계치 이상의 리튬 이온이 쌓이면서 전해질 영역으로 서서히 성장하는 덴드라이트(Dendrite) 현상이 발생하여 배터리 수명이 단축됩니다. 덴드라이트가 분리막에 도달하면 단락을 발생하여 과전류, 폭발이 발생하게 됩니다.

 

과방전은 음극에서 더 이상 돌려보낼 리튬 이온이 없는 상황에서 계속 전압이 가해지므로 음극의 구리 이온이 방출되어 전해질에 섞이기 시작합니다. 이것은 전해질의 전도성을 떨어뜨리고 내부저항을 증가시켜서 배터리의 충전량과 용량이 감소하며 주울열에 의한 발열도 심해집니다.

 

하지만 대부분의 노트북, 핸드폰과 같은 모바일 기기에는 배터리 관리 시스템이 장착되어 있어 과충전, 과방전을 예방하도록 되어 있습니다. 따라서 시스템 회로나 프로그램에 이상이 없다면 심각한 상황은 발생하지 않습니다. 문제는 바로 과도하게 발생하는 열입니다. 모바일 기기에 장착되는 CPU와 같은 첨단 반도체 칩은 동작하면서 매우 많은 열이 발생합니다.

 

배터리 자체의 열에 추가되는 이러한 열에너지에 의해 전해질이 변질되고 기화되어 가스발생하게 됩니다. 오래 사용한 배터리가 부푸는 현상이 바로 이 때문입니다. 열에 의해 방출되는 가스의 성분은 +/- 단자와 전해액, 다양한 합성수지 부품에서 나오는 산소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 에틸렌, 메탄 등인데 시간이 지나면서 누적되어 포장 커버에 가득 차면서 겉 포장이 부풀게 되는 것입니다. (아래 사진 참조)

 

발생된 가스로 인해 부풀어 오른 노트북 배터리

 

이들 가스는 대부분 가연성이므로 인위적으로 분해하거나 가스를 배출하여 재사용하는 것은 매우 위험하며 분해 과정에서 +/- 단자가 단락 되면 폭발할 수 있으므로 반드시 폐기하고 새 제품으로 교체하여 사용하는 것이 안전합니다.  또한 전자기기의 사용 시에 내부에 열을 잘 식힐 수 있는 환경에서 다양한 부품의 열이 배터리에 전달되지 않도록 하는 것도 중요합니다.

 

과충전과 과방전 시스템이 작동하더라도 충전이 완료된 후에는 충전 콘센트를 빼는 것이 좋으며 용량의 100%를 충전해서 0% 바닥까지 사용하는 것은 삼가야 합니다. 노트북을 포함한 대부분의 고가 전자장치는 85% 수준에서 충전과 방전을 하도록 해주는 배터리 관리 시스템을 탑재하고 있어서 이를 잘 활용하면 안전과 함께 배터리 수명도 늘릴 수 있으니 참조하시기 바랍니다.

 

과열 이외의 또 다른 위험한 요인은 바로 충격이나 파손에 의한 분리막 손상입니다. 단락으로 인해 높은 전류가 발생하고 이로 인해 뉴스에서 보도되는 전기차 열폭주 현상이나 폭발이 일어날 수 있기 때문입니다. 리튬 폴리머 배터리도 전해액 대신 고형 물질인 폴리머가 사용된다는 점 이외에 나머지 원리나 관리 방법은 유사하니 이것도 참조하시기 바랍니다.

 

지금까지 리튬 이온 배터리의 특징과 올바른 사용법, 관리 방법에 대해 자세히 알아보았습니다. 이를 요약하면 아래와 같습니다.

1. 과충전 / 과방전 되지 않도록 85% 수준에서 충전하고 방전하는 배터리 관리 시스템 활용
2. 모바일 기기 사용 시에는 통풍이 잘 되고 과열되지 않는 환경에서 배터리 과열 방지 
3. 부풀어 오른 배터리는 가연성 가스가 들어 있고 내부에 비정상적인 문제가 발새한 것이므로 절대로 분해하거나 재사용하지 말고 폐기해야 함
4. 배터리의 파손이나 충격은 배터리 분리막 손상에 의한 단락으로 화재, 폭발이 일어날 수 있으니 유의 필요

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