추운 겨울날 야외에서 스마트폰을 사용하면 배터리가 평소보다 빨리 닳는 현상을 온도가 낮아짐에 따라 이온의 이동 속도와 화학 반응 속도가 감소하는 원리가 무엇인가요?

Question

이충흔 · Accepted Answer

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.추운 겨울날 야외에서 스마트폰 배터리가 유독 빨리 닳거나 갑자기 꺼지는 현상은 스마트폰에 주로 사용되는 리튬 이온 배터리의 화학적 특성 때문입니다. 이는 온도가 낮아짐에 따라 배터리 내부의 이온 이동 속도와 화학 반응 속도가 감소하면서 발생합니다.​스마트폰의 리튬 이온 배터리는 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 이동하며 전기를 발생시킵니다. 배터리를 사용할 때는 음극에 있던 리튬 이온이 전해질이라는 액체를 통과하여 양극으로 이동하고, 이 과정에서 도선을 따라 흐르는 전자가 스마트폰에 에너지를 공급합니다. 이때 전해질은 이온이 원활하게 움직일 수 있도록 돕는 통로 역할을 합니다.​하지만 주위 온도가 급격히 낮아지면 액체 상태인 전해질의 분자 운동이 둔해지면서 점도가 높아집니다. 액체가 끈적끈적해지기 때문에 그 안을 통과해야 하는 리튬 이온의 이동 속도가 크게 떨어지게 됩니다. 이와 동시에 온도가 내려가면 분자들의 평균 운동 에너지가 감소하므로, 리튬 이온이 양극과 음극의 전극 물질 내부로 흡수되거나 방출되는 화학 반응의 속도 자체도 급격히 느려집니다. 활성화 에너지를 넘어서는 유효 충돌 횟수가 줄어들기 때문입니다.​결과적으로 배터리 내부의 저항이 커지면서 이온과 전자가 제때 움직이지 못하게 됩니다. 내부 저항이 증가하면 배터리가 실제로 낼 수 있는 전압이 뚝 떨어지는데, 스마트폰 시스템은 이 전압을 측정하여 잔량을 표시합니다. 따라서 전압이 급감하면 배터리 용량이 아직 남아있더라도 잔량이 갑자기 줄어든 것으로 인식하거나 전력이 부족하다고 판단해 전원을 강제로 차단하게 됩니다. 즉, 배터리의 실제 총에너지가 사라진 것이 아니라, 저온으로 인해 화학적 출력 능력이 일시적으로 제한되는 것입니다.

김지호 · Answer

안녕하세요.추운 겨울날 스마트폰 배터리가 평소보다 빨리 닳는 것처럼 보이는 이유는 리튬이온 배터리 내부의 이온 이동과 전기화학 반응이 저온에서 느려지기 때문입니다. 리튬이온 배터리는 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 이동하면서 전기를 생산하는데요, 배터리가 방전될 때는 리튬 이온이 전해질을 통해 이동하고, 전자는 외부 회로를 따라 흐르면서 스마트폰에 전력을 공급합니다. 하지만 온도가 낮아지면 전해질과 전극 내부에서 이온의 운동 에너지가 감소하기 때문에 리튬 이온의 이동 속도가 느려지고 전극 물질 내부로 들어가거나 나오는 과정도 원활하지 않게 됩니다. 화학적으로 보면 온도가 낮아질수록 반응에 참여하는 입자들의 평균 운동 에너지가 감소하여 전기화학 반응 속도가 저하됩니다. 일반적으로 많은 화학 반응은 온도가 낮아지면 반응 속도가 감소하는데, 배터리 내부 반응도 같은 영향을 받는데요, 결과적으로 리튬 이온 이동 속도 감소, 전극에서의 산화-환원 반응 속도 감소, 배터리 내부 저항 증가, 순간적으로 공급 가능한 전류 감소가 발생하게 됩니다. 하지만 배터리가 완전히 방전된 것이 아닌데요, 추운 곳에서 배터리 잔량이 10% 이하로 떨어지거나 스마트폰이 꺼졌더라도, 실내처럼 따뜻한 곳에 가져오면 화학 반응과 이온 이동이 다시 활발해져 잔량이 일부 회복되는 경우가 있습니다. 감사합니다.