왜 스마트폰은 오래 사용할수록 배터리가 빨리 닳을까?

여러 통계 자료에 따르면 스마트폰의 교체 주기는 40개월 정도라고 합니다. 요즘 들어서 교체 주기가 많이 늘어난 것이고, 2020년만 하더라도 30개월마다 교체하는 사람이 많았습니다. 기기를 빠르게 교체하는 경우 주제의 상황을 경험하지 못했을 수도 있는데, 실제 스마트폰을 오래 사용하면 처음 구매해서 사용할 때보다 이상하게 배터리가 빨리 닳습니다.

스마트폰에 내장된 배터리는 대부분 리튬 이온 배터리 또는 리튬 이온 폴리머 배터리입니다. 이들은 보통 500~1,000회 정도 충전하면 기존 배터리 용량에서 70% 정도로 줄어들므로 2년 정도 사용하면 완전충전 후 사용할 수 있는 시간이 점점 줄어듭니다. 왜 이런 현상이 발생하는 걸까요?

주제의 의문을 해결하려면 배터리의 작동 원리를 알아야 합니다. 평소 많이 사용하는 원통형 건전지를 보면 작은 원통 중 가운데에 튀어나온 부분을 양(+)극, 반대쪽의 평평한 부분을 음(-)극이라고 합니다.

양극은 전기적 위치에너지인 전위가 높고, 음극은 전위가 낮으므로 두 극 사이에 전위차가 생기는데, 이 차이를 전압이라고 합니다.

개념의 이해를 돕기 위해 물레방아로 예를 들어 보면 물레방아를 돌릴 때 펌프로 물을 끌어 올린 뒤 중력에 의한 위치에너지를 만들어 물을 떨어뜨리는 힘으로 물레방아를 돌립니다. 마찬가지로 전류가 흐르려면 양극에 전위차가 있어야 하고, 양극과 음극의 전기적 위치에너지에 차이를 만들어 전류를 흐르게 하는 것이 전압입니다.

스마트폰에 내장된 배터리도 복잡한 화학 반응을 통해 내부에서 전위차를 생성하고, 이 전위차가 전압을 형성해 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동함으로써 작동하게 됩니다.

이때 리튬 이온 배터리와 리튬 이온 폴리머 배터리의 차이는 리튬 이온이 이동하는 통로인 전해질의 종류에 있는데, 리튬 이온 전지는 액체 상태의 전해질인 전해액을 사용하고, 리튬 이온 폴리머 전지는 젤 형태의 폴리머 전해질을 사용하는 차이가 있습니다.

이러한 원리는 세계 최초의 배터리도 같으며, 과학 시간에 많이 봤을 겁니다. 묽은 황산 전해질 용액에 구리판과 아연판을 세우면 전위가 높은 구리판이 양극, 전위가 낮은 아연판이 음극에 해당합니다.

그리고 구리판과 아연판을 도선으로 연결하면 아연판에서 구리판 쪽으로 음(–)전하가 이동하고, 구리판에서 아연판 쪽으로 전류가 흐르면서 전구에 불이 들어옵니다. 시간이 지나면 전기화학 반응으로 수소 이온(H⁺)이 만들어지고, 구리판과 접하고 있던 전해질의 수소 이온들이 구리판에 도달한 음전하와 만나면 표면에서 수소 기체(H₂)를 형성합니다.

이 과정에서 작은 거품 형태로 양극 표면에 흡착하는 현상이 발생하는데(*특히 구리판에 많이 부착), 그러면 전극과 전해질 사이의 화학 반응을 방해해 전류의 흐름을 방해하고, 이를 분극 현상(Polarization)이라고 합니다.

같은 원리로 스마트폰을 사용하면 음극에 있던 리튬 이온이 양극으로 이동하면서 방전되고, 충전하면 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동합니다.

충전과 방전을 반복하면 분극 현상에 의해 리튬 이온을 양극에서 음극으로 보내는 성능이 점점 떨어지므로 충전을 최대로 해도 사용할 수 있는 전기에너지의 양이 점점 줄어들고, 배터리가 빨리 닳게 되는 겁니다.

물론 분극 현상이 유일한 원인은 아니고, 배터리 내부에서도 전극 반응에 관여하는 물질인 활물질이 분해되거나 첫 충전 시 음극 표면에 형성되는 얇은 막인 SEI(Solid Electrolyte Interface)층의 불균일한 형성 등 여러 화학적 변화로 인해 배터리의 성능은 오래 사용할수록 떨어지게 됩니다.

추가로 스마트폰을 계속 사용하면 뜨거워지는 이유도 알아보려고 하는데, 전류는 음전하를 띠고 있는 자유전자들이 한 방향으로 흐름을 만들어내는 현상입니다.

이 전자들은 전도체 내부의 원자 사이를 이동하며 흐르게 되고, 이 과정에서 전자들은 원자나 이온과 충돌하면서 전기저항을 발생시켜 마찰열의 형태로 나타납니다.

전자기기를 지속해서 사용하면 충돌이 누적되면서 점점 더 뜨거워지는 것이고, 대부분 전자제품에서 공통으로 나타나는 현상입니다. 궁금증이 해결되셨나요?

- 원고 : 도서 <사소해서 물어보지 못했지만 궁금했던 과학 이야기 3> 中 발췌

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