배터리를 오래 사용할수록 수명이 줄어드는 그 이유가 뭔지 아시나요

Question

스마트폰부터 시작해서 전기차나 다른 여러가지 전자기기에는 배터리가 필수적으로 들어가잖아요

그런데 이 배터리들은 사용할수록 그 수명이 점점 줄어드는데 배터리를 충전하고 소모하는과정에서

어떤 현상이 일어나서 수명이 단축되는 건가요?

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

배터리는 충전과 방전을 반복할 때 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 오가는데 이 과정에서 전극 재료가 조금씩 손상되고 내부에 불필요한 화학물질이 쌓여 이온 이동이 점점 어려워집니다 또한 고온 과충전 과방전 상태는 전해질 분해와 전극 열화를 가속해 실제 저장 가능한 전기량을 감소시킵니다 그래서 사용 기간과 충 방전 횟수가 늘어날수록 배터리 용량은 줄고 내구 저항은 증가하여 사용 기간이 짧아지고 성능도 점차 떨어지게 됩니다

Answer 2

안녕하세요. 신광현 전문가입니다.

배터리 수명이 줄어드는 이유는 충전과 방전을 반복할 때 배터리 내부에서 화학적·물리적 열화가 일어나기 때문입니다.

리튬이온 배터리는 충전 시 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하고, 방전 시에는 다시 양극으로 돌아오며 작동합니다. 하지만 이 과정이 반복되면:

리튬 이온이 음극에 고착되어 더 이상 이동할 수 없게 되고, 이동 가능한 이온 수가 줄어들어 용량이 감소합니다.

리튬 이온이 흑연 층 사이로 들어가고 나올 때 전극이 팽창하고 수축하면서 미세 균열이 생기고 전극 구조가 파괴됩니다.

전극 표면에 SEI 층이라는 불필요한 막이 두꺼워져 리튬 이온 통과를 방해합니다.

전해질이 분해되거나 리튬 덴드라이트라는 바늘 모양 결정이 생기며 내부 저항이 증가합니다.

이 모든 현상이 쌓여 배터리가 저장할 수 있는 에너지 양이 점점 줄어듭니다. 고온 환경이나 만충전/완전방전을 반복하면 이 열화 과정이 더 빠르게 진행됩니다.

Answer 3

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

배터리를 충전하고 쓰다 보시면 내부에서 리튬이온이 왔다갔다 합니다. 이 과정에서 전극의 구조가 무너지죠. 결국 미세한 균열이 생기게 됩니다. 게다가 전해액과 전극이 반응하면서 배터리 내부에 불필요한 부산물 찌꺼기가 쌓입니다. 이게 이온의 이동을 방해하고 전류의 흐름을 막아버리는 거죠. 특히 100% 꽉 채워서 충전하거나 방전되도록 방치하면 배터리가 큰 스트레스를 받습니다. 그래서 배터리 노화 속도가 엄청 빨라지죠. 이런 복합적인 화학적 변화와 물리적 손상들이 누적되면 결국 배터리의 총 용량 자체가 줄어드는 겁니다.

Answer 4

안녕하세요. 이승호 전문가입니다.

우리가 스마트폰이나 전기차에 사용하는 배터리는 대부분 리튬 이온 배터리입니다. 이 배터리가 충전되고 방전되는 과정은 리튬 이온이 배터리의 양극과 음극을 왔다 갔다 하는 화학 반응입니다. 하지만 이 과정을 반복할수록 배터리 내부에서는 돌이킬 수 없는 여러 화학적, 물리적 변화가 일어나며 수명이 줄어들게 됩니다. 그 핵심적인 이유들을 몇 가지로 나누어 설명해 드리겠습니다.

첫 번째로 가장 결정적인 원인은 에스이에이치(SEI) 피막의 지속적인 성장입니다. 배터리를 처음 충전할 때 음극 표면에는 전해액과의 반응을 막아주는 보호막 같은 피막이 형성됩니다. 이 피막은 배터리 안정성에 꼭 필요하지만, 충전과 방전을 반복할수록 이 피막이 점점 더 두꺼워집니다. 피막이 두꺼워지면 내부에서 리튬 이온이 이동할 때 저항이 커져 배터리 성능이 떨어집니다. 무엇보다 이 피막이 자라나면서 배터리 내부를 돌아다녀야 할 활성 리튬 이온들을 붙잡아 가두기 때문에, 전기를 저장할 수 있는 리튬 이온의 총개수 자체가 줄어들게 됩니다.

두 번째는 전극 구조의 물리적인 붕괴입니다. 리튬 이온은 충전될 때 음극 구조 사이로 비집고 들어가고, 방전될 때 다시 양극 구조 사이로 들어갑니다. 이 과정을 이온이 박힌다는 뜻에서 인터칼레이션이라고 부릅니다. 전기가 오고 갈 때마다 전극 물질은 미세하게 부풀어 올랐다가 다시 수축하는 과정을 반복합니다. 스마트폰을 수백 번 충전하는 동안 전극은 수백 번 수축과 이완을 겪는 셈입니다. 이로 인해 전극 물질에 미세한 균열이 생기고 구조가 깨지면서, 리튬 이온을 받아줄 수 있는 방이 파괴되어 배터리 용량이 감소합니다.

세 번째는 전해액의 고갈과 내부 부산물 발생입니다. 배터리 내부에는 이온이 잘 이동할 수 있도록 돕는 액체인 전해액이 들어있습니다. 하지만 배터리가 작동하면서 발생하는 열과 높은 전압 때문에 전해액이 서서히 분해되거나 기체로 변해 사라집니다. 전해액이 줄어들면 이온이 이동하기 힘들어질 뿐만 아니라, 분해 과정에서 생긴 불순물들이 전극 표면에 들러붙어 화학 반응을 방해하게 됩니다.

마지막으로 덴드라이트 현상이라는 부작용도 있습니다. 배터리를 과충전하거나 급속 충전을 자주 하면, 리튬 이온이 음극 구조 내부로 예쁘게 들어가지 못하고 표면에 금속 형태로 뾰족하게 쌓이게 됩니다. 이를 덴드라이트라고 부르는데, 이 뾰족한 금속 나뭇가지가 자라나 배터리 양극과 음극을 분리해 주는 분리막을 찢으면 내부 합선이 일어나 배터리가 급격히 방전되거나 화재로 이어지기도 합니다. 안전장치가 이를 감지해 배터리 성능을 강제로 제한하므로 결국 수명이 줄어드는 원인이 됩니다.

요약하자면, 배터리를 쓸 때마다 내부에서는 리튬 이온이 갇혀서 사라지고, 전극 구조는 찢어지며, 전해액은 말라붙는 현상이 동시다발적으로 일어납니다. 마치 자동차를 오래 타면 타이어가 닳고 엔진 오일이 오염되는 것처럼, 리튬 이온 배터리의 수명 저하는 화학 반응을 사용하는 구조상 피할 수 없는 자연스러운 노화 현상입니다.