배터리는 충전과 방전을 반복하면서 어떻게 에너지를 저장하는 건가요??

Question

당연하게 사용하고 있어서 전기를 넣었다가 다시 꺼내 쓰는 과정이 너무 당연하게 느껴지지만 굉장히 신기한데요. 배터리 내부에서 어떤 화학 반응이 일어나고, 왜 수명이 줄어드는지도 궁금해요.

Answer 1

안녕하세요. 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어 저장했다가 다시 전기 에너지로 꺼내 쓰는 장치입니다. 예를 들어 스마트폰에 많이 사용되는 리튬이온 배터리에는 양극과 음극, 그리고 그 사이를 연결하는 전해질이 있는데요, 충전할 때는 외부 전원이 전자를 강제로 이동시키면서 리튬 이온을 양극에서 음극으로 이동시키며, 이 과정에서 전기 에너지가 화학적 형태로 저장됩니다.

반대로 스마트폰을 사용할 때는 저장된 화학 에너지가 다시 전기 에너지로 변환되는데요, 리튬 이온은 음극에서 양극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 흐르면서 스마트폰을 작동시키게 됩니다. 즉, 충전과 방전은 리튬 이온과 전자의 이동 방향이 서로 반대인 과정이라고 보시면 됩니다. 배터리의 수명이 줄어드는 이유는 이 충전과 방전 과정이 완벽하게 되돌릴 수 있는 반응이 아니기 때문인데요, 충전을 반복할수록 전극 표면에 불필요한 화합물이 조금씩 쌓이고, 전극 구조가 미세하게 손상됩니다. 또한 리튬 이온이 드나드는 과정에서 전극이 팽창과 수축을 반복하면서 균열이 생기게 됩니다. 특히나 고온 환경, 과충전, 과방전은 배터리 노화를 가속하기 때문에 스마트폰 제조사들은 보통 배터리를 0%까지 완전히 방전시키거나 100% 상태로 장시간 유지하는 것을 줄이도록 설계하고 있으며, 최근에는 충전을 80~90% 수준에서 제한하는 기능도 제공하고 있습니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 정철 박사입니다.

전해질안에 있는 이온에 한쪽에서 다른 한쪽으로 이동합니다. 이게 다 이동하면 충천을 하게 되고 그러면 다시 다른 쪽으로 이동해서 다시 사용할수 있는 것입니다.

Answer 3

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

리튬 이온 배터리의 충전과 방전은 리튬 이온과 전자가 양극과 음극을 오가는 과정을 말합니다. 배터리를 충전할 때는 외부 전기에너지를 이용해 양극에 있던 리튬 이온과 전자를 분리하고, 분리된 이온은 내부 전해액을 통해, 전자는 외부 전선을 통해 음극으로 이동해 흑연 구조 사이에 갇힙니다. 이처럼 에너지를 화학적 위치 에너지가 높은 상태로 가둬 두는 것이 충전이고, 반대로 방전은 음극에 갇혀 있던 이온과 전자가 원래의 안정적인 양극으로 되돌아가는 과정을 말하며, 이때 전자가 전선을 타고 흐르는 과정이 우리가 쓰는 전기가 됩니다.

하지만 이 과정을 반복하면 배터리 수명이 줄어듭니다. 충전과 방전 시 전해액과 리튬이 반응하면서 음극 표면에 미세한 피막이 형성되는데, 이것이 점차 두꺼워지면 리튬 이온들이 내부에 갇혀 움직일 수 없게 됩니다. 동시에 이온이 전극 구조를 지속적으로 드나들면서 전극 자체가 미세하게 뒤틀리고 균열이 생겨 이온을 받아줄 공간도 파괴됩니다. 이 과정에서 결국 배터리 용량이 감소하게 됩니다.