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배터리 오래 쓰면 사용 시간 줄어드는 이유는…
기사입력 2019-12-08 08:40
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리튬이온배터리의 구조. [자료 제공 = 삼성SDI]
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.


또 충·방전 과정에서 흑연의 부피 변화를 감안해 배터리 제조사는 배터리를 설계할 때부터 일정 수준의 여유 공간을 둔다.

여유 공간만큼 배터리 용량을 포기해야 한다는 말이다.

이에 배터리 업계에서는 충방전 과정에서 음극이 팽창하는 걸 막는 기술 개발이 활발한 것으로 알려졌다.


한편 흑연에 이어 실리콘을 차세대 음극 소재로 활용하려는 연구·개발(R&D)도 한창이다.

실리콘은 흑연보다 에너지 밀도가 높지만, 충·방전 과정에서의 부피 변화가 더 크게 나타난다는 문제를 안고 있다.

이에 배터리업계는 실리콘의 구조를 안정화시키는 방안을 찾기 위해 연구하는 한편, 흑연에 소량의 실리콘을 섞는 방식으로 음극에 실리콘을 활용하고 있다.


삼성SDI나노 사이즈의 실리콘을 흑연과 배합한 SCN(Si-Carbon-Nanocomposite) 소재를 개발한 특허를 냈다.

상대적으로 안정적인 구조를 가진 흑연에 실리콘을 넣어 안전성을 유지하는 동시에 에너지밀도를 높인 소재다.


[디지털뉴스국 한경우 기자]
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#삼성SDI #나노

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