배터리 수명은 왜 줄어드는건가요??
스마트폰이나 다른 충전식 전자기기를 쓰다보면 방전되거나 충전해도 얼마 가지못하던데 충전식 배터리는 왜 점점 수명이 줄어드는건가요?? 마찬가지로 전기차도 배터리 수명이 점점 줄어드나요??
안녕하세요. 홍성택 과학전문가입니다.
스마트폰을 쓰다 보면 뜨거운 열이 발생한다. 이러한 과열은 배터리의 수명을 저하시키는 원인 중 하나다. 대부분 전자기기에 사용되는 리튬이온배터리는 충전 시 리튬이온이 음극으로 이동하여 음극 속으로 삽입되고, 사용할 땐(방전) 정반대의 반응이 일어난다. 충․방전 과정에서 발생하는 열이 배터리의 수명과 성능에 영향을 준다고 알려져 있지만, 분자 수준의 구조적․화학적 변화에 대해서는 아직 명확히 규명되지 않았다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수)과 성영은 부연구단장(서울대 교수) 연구팀은 유승호 고려대 화공생명공학과 교수팀과 함께 온도에 따른 리튬이온배터리 전극물질의 구조 변화를 관측하고, 배터리 열화과정의 근본 원인 규명에 성공했다.
연구진은 온도가 배터리 성능에 미치는 영향을 면밀히 분석하기 위한 실험을 설계했다. 우선, 이산화티타늄(TiO2)을 전극(음극)으로 사용하는 리튬이온배터리를 제조했다. 리튬이온배터리의 음극으로는 주로 흑연이 쓰인다. 그러나 이산화티타늄은 흑연보다 안정적인데다, 저렴하고 친환경적이어서 차세대 전극 소재로 각광받고 있다.
연구진은 충․방전 시 온도를 달리하며 X선 회절 분석법1)을 통해 이산화티타늄 전극 구조 변화를 관측했다. 그 결과, 구동 온도가 높아지면 상온에서 일어나지 않았던 새로운 리튬 저장 메커니즘이 진행됨을 밝혀냈다.
기존에는 배터리를 충전할 때 리튬이온(Li+)이 음극으로 이동해 이산화티타늄과 반응하여 상을 변화(Li0.55TiO2)시킨다고만 알려져 있었다. 하지만 분석결과 상온보다 20~30℃만 높아져도 1차 상변화 후 추가적인 2차 상변화(Li1TiO2)가 일어나는 것으로 밝혀졌다. 즉 고온이 아닌 전자기기 사용 시 발생하는 40℃ 수준의 온화한 열 조건에서도 예상치 않았던 추가 상변화가 발생한다는 것이다.
이어 연구진은 전자현미경을 이용해 2차 상변화에 따른 전극의 구조 변화를 관찰했다. 2차 상변화가 일어나면 에너지 장벽이 높아져 이산화티타늄 전극 내부에서 리튬이온이 이동하기 어려워진다. 마치 동맥경화처럼 전극 내에 리튬이온이 축적되다가, 충‧방전을 거듭하면 결국 이산화티타늄 격자 구조에 결함이 생겨 비가역적인 손실이 발생했다.
이번 연구는 IBS 나노입자 연구단(이산화티타늄 나노입자 전극 합성 및 배터리 설계)과 고려대 연구팀(배터리 열화과정 분석)의 협력연구를 통해 이뤄졌다. 배터리 안정성의 핵심인 열화과정의 원인을 분자 수준에서 규명한 만큼, 향후 차세대 배터리 설계에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.
유승호 교수는 “열 발생을 수반하는 에너지 장치의 배터리 설계에 있어 온도는 고려해야할 가장 중요한 요소 중 하나”라며 “온도가 높아지면 추가적인 상변화가 발생하며 배터리의 성능과 수명을 저하시키는 것을 확인했다”고 설명했다.
성영은 부연구단장은 “최근 전기자동차의 수요 급증과 함께 성능이 우수한 배터리 물질의 개발이 중요해졌다”며 “열에 의한 영향을 최소화할 수 있다면 용량이 높고 안정적인 동시에 오래 사용할 수 있는 차세대 배터리를 설계할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
연구결과는 화학분야 세계적 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF 14.612) 8월 5일(현지시간)자에 게재됐다.
[출처 : https://www.snu.ac.kr/research/highlights?md=v&bbsidx=128872]
안녕하세요. 이상현 과학전문가입니다.
배터리는 충방전을 많이 하거나,오래사용하게 되면 배터리 내부에 황화염이 발생하게 됩니다.
황화염은 이온이 전기 에너지를 전달하는것을 방해하는 요소 중 하나이기 때문에
배터리 성능을 저하시키는 원인이 되기도 합니다.
이 외에도, 전극이 마모되는 등의 문제가 있을 수 있습니다.
감사합니다.
안녕하세요. 과학전문가입니다.
충전과 방전이 반복되면서 양극, 음극, 분리막, 전해질 중 음극의 소재 구조가 변해서 배터리의 에너지 밀도가 감소하여 배터리성능이 줄어드는겁니다.
안녕하세요. 과학전문가입니다.
리튬이온 배터리는 스마트폰과 전기자동차 등 광법위하게 사용되고 있습니다. 충전 전압이 높아지면 전극 물질 내에 되돌릴 수 없는 구조적 화학적 변화가 발생하여 전지의 수명단축과 심하면 폭발까지 이어질 수 있다고 합니다. 한국의 연구진이 전자현미경을 통해서 니켈이 방전이 되도 본래의 자리로 돌아가지 못하고 리튬과 니켈 양이온의 주기적 섞임 현상이 발생하고 이로 인해서 심각한 배터리 성능 저하가 나타나는 것을 확인하였습니다. 급속하게 충전하는 경우에 발생하고, 충분한 여유를 두고 충전과 방전을 진행하였을 때에는 나타나지 않았다고 합니다.
- 리튬 이온 배터리는 기본적으로 소모품입니다.
수명에 가까워지면 충전은 잘 되지 않는데, 방전은 잘 되게 됩니다.
리튬 이온 배터리가 충전, 방전을 반복하게 되면 리튬이온이 전극 내부에 축적되기 때문에
전극의 노화가 촉진하게 되어 수명이 줄어들게 됩니다.
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.
스마트폰을 오래 쓰면 처음 구입했을 때보다 배터리 소모가 빨라진다. 배터리의 충·방전이 반복되면 성능이 저하되는 탓이다. 충·방전의 반복으로 배터리 성능이 저하되는 이유는 배터리의 4대 구성요소인 양극, 음극, 분리막, 전해질 중 음극에 있다. 배터리를 반복적으로 사용하면서 음극 소재의 구조가 변해 배터리의 에너지밀도가 감소하는 것이다.
리튬이온배터리의 음극은 층상 구조를 갖는 흑연으로 만들어진다. 층상 구조란 아파트나 책장처럼 분리된 공간을 가진 형태라고 생각하면 쉽다. 흑연의 층상구조 사이에 박혀 있는 리튬이온이 전해질을 타고 분리막을 거쳐 양극으로 이동하면 충전이 되고, 반대로 양극에서 음극으로 리튬이온이 이동하면 전기 에너지를 발생시키며 방전이 된다.
문제는 리튬이온이 흑연의 틈에 박히면서 흑연의 부피가 커진다는 점이다. 이 과정이 반복되면 흑연 구조에 미세한 변화를 일으키면서 배터리의 수명이 감소한다.
안녕하세요. 김석진 과학전문가입니다.
모든 충전식 배터리는 소모품으로, 화학적으로 노화되면서 충전 효율이 떨어집니다. 리튬 이온 배터리는 화학적으로 노화되면서 저장할 수 있는 충전량이 줄어들어 결국 배터리 사용 시간이 줄어들고 성능 최대치가 저하됩니다
