휴대전화가 대중화되면서부터 우리는 충전의 세상에 살게 되었다. 물론 그 이전에도 충전 배터리가 없었던 것은 아니지만 휴대전화 시대처럼 누구나 하나씩 충전 기기를 가지고 있지는 않았다. 충전의 시대가 된 이후로 우리는 매일 집에서 잠을 자는 시간에는 휴대전화를 충전하고, 만일 깜빡해서 충전을 하지 못한 날에는 휴대전화의 배터리가 다 떨어질까 노심초사 계속 신경을 쓰게 된다. 특히 대형 디스플레이와 고성능의 프로세서를 사용하는 스마트폰의 시대가 된 이후 충전은 더욱 중요한 일상이 되었다. 하지만 스마트폰 배터리는 사용하면 할수록 수명이 짧아져서 결국 1~2년이 지나면 하루를 버티기 힘들어진다. 스마트폰 배터리는 왜 이렇게 수명이 줄어들며, 또 어떻게 하면 좀 더 오래 쓸 수 있을까?

리튬 이온 배터리의 장점

우리가 사용하는 거의 모든 스마트폰에는 충전식 배터리가 사용된다. 스마트폰 이전 시대인 터치식 피처폰, 일명 터치폰에도 충전식 배터리가 사용되었으며, 그 이전인 터치 입력을 지원하지 않는 완전한 피처폰에도 충전식 배터리가 사용되었다. 그리고 거의 모든 충전식 휴대전화에는 리튬 이온 배터리가 사용되고 있다. 리튬 이온 배터리는 1970년대에 미국 빙엄턴대학의 연구진에 의해 처음 고안되었으며, 당시에는 음극으로 사용한 금속 리튬의 반응성이 높아 안정성이 낮아지면서 실제 상용화할 수 있는 수준은 아니었다. 이후 금속 리튬을 대신할 다양한 소재가 개발되면서 1991년 일본의 소니가 세계 최초로 리튬 이온 배터리의 상용화에 성공해 다양한 휴대 기기에 널리 사용하게 되었다.

▲소니는 리튬 이온 배터리를 최초로 상용화했다

한 번 사용하면 버려야 하는 1차 전지에 비해 충전 과정을 거쳐 여러 번 재사용할 수 있는 2차 전지의 일종인 리튬 이온 배터리는 기존 2차 전지에 비해 다양한 장점을 가지고 있다. 우선 기전력이 높아서 보통 니켈-카드뮴 배터리가 1.2V를 내는 반면 리튬 이온 배터리는 3.6V 가량을 제공한다. 즉, 니켈-카드뮴 전지 세 개를 직렬로 연결해야 하는 전압을 리튬 이온 전지 하나로 해결할 수 있는 셈이다. 다음으로는 무게가 가볍다. 무게가 가볍다는 것은 단위 무게당 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다는 것을 뜻한다. 실제로 리튬 이온 배터리 이전에 충전식 2차 전지로 주로 사용되던 니켈-카드뮴 전지보다 약 2~3배가량의 에너지 밀도를 가지고 있다.

실제로 충전지를 사용할 때 사용자에게 확연하게 느껴지는 장점으로는 메모리 효과와 방전량을 들 수 있다. 리튬 이온 배터리 이전에 많이 사용되던 니켈-카드뮴 배터리의 경우 완전 방전 후 완전 충전 사용이 권장되었는데, 완전히 방전되기 전에 충전을 진행하게 되면 사용할 수 있는 용량이 급격하게 줄어드는 현상이 있기 때문이다. 이러한 현상을 메모리 효과(Memory effect)라고 하는데, 완전 방전 후 다시 완충할 때까지 사용할 수 없다는 단점 때문에 휴대전화와 같이 계속해서 사용해야 하는 기기에는 적합하지 않아 메모리 효과가 없는 리튬 이온 배터리가 주로 사용된 것이다. 또한 리튬 이온 배터리는 충전 후 사용하지 않고 두었을 때 방전되는 정도가 니켈-카드뮴 배터리나 니켈-수소 배터리에 비해 훨씬 적어서 대기 상태로 오래 두는 휴대전화에 더욱 적합하다.

▲스마트폰에도 대부분 리튬 이온 배터리가 사용되고 있다

리튬 이온 배터리의 구조와 수명

리튬 이온 배터리의 구조는 음극과 양극, 그리고 전해질로 구성되어 있다. 음극에 있는 리튬 이온이 양극으로 이동하면서 전력을 생산해내며, 충전 시에는 반대로 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하게 된다. 전해질은 리튬 이온 염이 녹아있는 용액이다. 리튬 이온 배터리 내부의 양극과 음극은 서로 닿으면 단락되며 배터리가 망가지기 때문에 그 사이를 분리막으로 막아놓고 있다. 이렇게 산화와 환원 과정을 반복하면서 사용하게 되는 리튬 이온 배터리는 분리막이 손상되거나 배터리 자체에 충격을 받아 전해질이 공기 중에 노출되는 등의 상황이 되면 수분과의 반응으로 발열과 폭발의 위험이 있는데, 이런 사고 없이 정상적으로 사용해도 제조 즉시 열화 현상이 발생하게 된다.

▲리튬 이온 배터리의 구조

정상적인 환경 하에서 사용했을 경우 리튬 이온 배터리의 충전 횟수는 약 500회가량으로 보고 있으며, 기간으로 따졌을 때 약 2~3년가량을 평균 수명으로 보고 있다. 여기에서 말하는 수명은 완전히 사용할 수 없을 때까지를 의미하지는 않는다. 일반적으로 최초 용량의 80% 이하로 떨어진 상태를 수명이 다한 것으로 간주하기 때문에 충방전 횟수 500회를 넘거나 2년 이상 지나도 사용하지 못하는 것은 아니다. 다만 수명을 다한 상태가 되면 이후부터는 사용 시간도 급격하게 줄어들게 되고, 반대로 충전 시간은 더욱 오래 걸리게 된다. 리튬 이온 배터리의 경우 열에도 약하기 때문에 스마트폰처럼 작고 발열량이 많은 기기에 사용할 경우 온도가 약 30도 정도로 높아지면 수명은 평균보다 약 30% 더욱 빠르게 줄어들게 된다.

리튬 이온 배터리의 또 다른 문제는 내부에 가스가 발생하면서 배터리가 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생할 수 있다는 점이다. 스웰링 현상은 정상 사용 시에도 사용 시간이 오래되면 조금씩 발생하게 되지만, 과방전 또는 과충전 상태로 오래 방치하거나 배터리에 충격을 주면 더 빨리 발생하게 된다. 일반적으로 스웰링 현상은 리튬 폴리머 배터리에서만 발생한다고 생각하는 사용자가 많은데, 리튬 이온 배터리의 경우 겉면을 금속이나 단단한 플라스틱으로 감싸기 때문에 스웰링 현상이 상대적으로 늦게 보일 뿐이다. 스웰링 현상이 나타나더라도 충전과 사용이 완전히 불가능해지지는 않지만 일단 수명이 급격하게 하락했다는 증거로 볼 수 있고, 부풀어 오르면서 액정 패널 등 주변의 다른 부품을 손상시킬 가능성도 높기 때문에 스웰링 현상이 목격되면 곧바로 배터리를 분리시키고 폐기하는 것이 좋다.

▲스웰링이 발생한 배터리

스마트폰 배터리를 오래 쓰려면?

우리가 사용하는 스마트폰에 대부분 장착되어있는 리튬 이온 배터리는 메모리 현상이 없기 때문에 자주 충전해주어도 성능이나 용량에 영향을 미치지 않는다. 과방전이나 과충전은 리튬 이온 배터리에도 치명적이지만, 이런 문제를 막기 위해 리튬 이온 배터리에 장착되어 있는 보호회로가 충전이 완료되거나 지나치게 방전되기 전에 전력을 차단해서 배터리를 치켜준다. 하지만 배터리에 충격이 가해지면 앞서 설명한 바와 같이 스웰링 현상이 빠르게 진행될 수 있고, 분리막이 손상되면서 단락이 일어나 배터리를 완전히 못쓰게 될 수 있으니 충격을 최대한 가지 않도록 유의해야 한다.

또한 만충전 상태나 완전 방전 상태에서 오래 방치하는 것 역시 스웰링과 부식의 원인이 되기 때문에 오래 사용하지 않을 예정이라면 용량의 절반 가량만 충전해서 서늘한 곳에서 보관하는 편이 낫다. 온도에 따라 수명이 달라지는 것처럼 전압에 따른 영향도 받게 되는데, 높은 전압보다는 낮은 전압으로 충전하는 것이 수명 연장에는 유리하다. 과도하게 높은 전압이 공급되면 보호회로에서 차단하지만, 최근 스마트폰의 트렌드 중 하나인 고속충전에 사용되는 높은 전압 역시 편의성을 높여주지만 배터리 수명 측면으로 보자면 좋은 선택으로 보기는 힘들다.

원수연 기자 press@appstory.co.kr