스마트폰, 스마트워치, 태블릿, 노트북, 휴대용 게임기, 무선 이어폰, 보조 배터리 등 가방을 열면 충전 배터리를 사용하는 휴대기기를 최소한 두세 개 정도는 발견할 수 있습니다.
특별히 하드웨어 스펙을 초월하는 사양의 소프트웨어를 구동한다던가 물리적 손상이 가해지지 않는다면 이러한 제품의 수명을 결정하는 가장 큰 요소는 배터리라 하겠습니다. 배터리의 충전 효율이 떨어져 교체를 해야 한다던가, 배터리 과열 등으로 인해 다른 부품에 영향을 준다던가, 배터리 노후로 인해 기기의 전체 성능이 저하되는 경우를 예로 들 수 있겠습니다.
오늘은 이러한 휴대용 제품에 사용되는 충전식 배터리에 대해 알아보겠습니다.
I. 충전식 배터리의 종류
충전식 배터리의 종류로는 니켈 계열의 충전지 (니켈-카드뮴 배터리 NiCd, 니켈-수소 배터리 NiMH 등)와 리튬 계열의 충전지 (리튬-이온 배터리, 리튬-폴리머 배터리)가 있으며. 이중 니켈 계열의 충전지는 휴대기기의 배터리로는 거의 사용 되지 않고 있으며 일부 전기자동차나 하이브리드 자동차에서 '니켈-수소 배터리'가 사용되고 있습니다.
리튬 계열의 충전지는 니켈 계열보다 큰 전압과 용량을 제공하고, 질량·부피 대비 에너지 밀도가 높으며, 고속·고효율 충방전에 유리함을 장점으로 현재 우리가 사용하는 대부분의 휴대기기에 사용되고 있으며, 이는 다시 리튬-이온 배터리와 리튬-폴리머 배터리로 구분할 수 있습니다.
일반 사용자의 입장에서 두 제품군은 크게 성능상에 차이는 없습니다. 제조 공정도 동일하며 회로나 시스템에서 사용하는 전압을 일컫는 '공칭전압'도 동일합니다. 사용자의 입장보자면 리튬-이온 배터리는 원형, 사각형 등 일정한 규격에 맞춰 제작된 배터리라고 이해하면 편하고, 규격을 무시하고 제품의 형태에 따라 맞춤으로 제작한 배터리를 리튬-폴리머 배터리라고 생각하시면 됩니다.
큰 틀의 특징과 장단점은 동일한 두 배터리의 일부 차이나는 부분을 정리하면 아래와 같습니다.
1. 리튬-이온 배터리 • Lithium-ion Battery • Li-ion
- 구형 노트북 배터리처럼 착탈식으로 제작된 배터리 형태를 가지고 있습니다.
- 자연 방전되는 양이 적어 장시간 보관에 용이합니다.
- 낮은 온도에서도 사용할 수 있습니다.
- 온도에 민감하기 때문에 발열이 심할수록 수명이 빠르게 단축됩니다.
- 과열되거나 잘못된 사용을 할 경우 부풀어 오르는 등 변형되거나 심할 경우 폭발할 수도 있습니다.
2. 리튬-폴리머 배터리 • Lithium-polymer Battery • Li-pol
- 최근의 슬림형 노트북이나 스마트폰처럼 내장형으로 제작된 배터리 형태를 가지고 있습니다.
- 다양하고 자유로운 형태로 제작이 가능합니다.
- 높은 에너지 밀도 덕분에 같은 크기 대비 더 많은 용량을 저장할 수 있으며, 폭발의 위험이 적은 편입니다.
- 제조 공정이 복잡하고 가격이 비쌉니다.
- 저온에서 효율이 떨어져 저절로 꺼지는 문제가 발생할 수 있습니다.
II. 배터리의 수명에 영향을 주는 것들
배터리의 수명은 아래의 세 가지 요소에 크게 영향을 받습니다.
- 충전 사이클
- 배터리 충전량
- 배터리의 온도
1. 충전 사이클
충전식 배터리에는 '충전 사이클'이란 개념이 있습니다.
배터리 용량의 100%에 해당하는 전력량을 사용(방전)할 때를 하나의 충전 사이클로 계산하는 것입니다. 이때 헛갈리면 안되는 것이, 배터리가 100% 충전되었다는 표시가 사이클 1회를 나타내는 것은 아니라는 것입니다.
예를 들어, 하루 동안 배터리 용량의 70%를 사용한 후 밤 시간 동안 완전 충전을 하여 100%로 만든 후, 다음 날 다시 30%를 사용했다면, 전날의 사용량과 합쳐 100% 사용한 것이 되므로 2일에 걸쳐 충전 사이클 1회가 완성되는 것입니다. 어떤 종류의 배터리든 충전 횟수가 일정량에 도달하면 수명이 조금씩 줄어들게 마련입니다.
따라서, 이 충전 사이클을 잘 관리하는 것이 중요합니다.
2. 배터리 충전량
아래는 배터리의 충전량에 따라 최대 용량이 70%까지 줄어드는데 소요되는 충전 사이클의 수를 보여주는 표입니다.
즉, 배터리 충전량을 100% (4.2V/cell)로 충전할 경우 배터리 최대 용량이 70%까지 줄어드는데 300~500회의 충전 사이클이 소요된다는 뜻입니다. 가장 낮은 충전량인 58%까지만 충전하고 사용할 경우 배터리의 최대 용량이 신품 대비 70% 수준으로 줄어들때까지 최대 4,000회의 충전 사이클을 사용할 수 있다는 것이므로, 배터리는 100%로 충전하는 것보다 60~80% 수준까지만 충전하는 것이 좋을 것 같습니다.
3. 배터리의 온도
배터리의 온도가 높을수록 배터리의 수명은 빨리 소진됩니다. 이는 사용량과도 연관이 있겠지만 배터리가 장착된 기기의 보관환경과 사용환경과도 관련이 있습니다.
아래 표는 다양한 온도에서 한 달 동안의 자연 방전량을 표시한 것으로써, 100% 충전 상태의 배터리는 0℃에서 한 달 동안 보관 시 6%의 자연방전이 일어나지만 60℃에서는 35%의 자연방전이 일어난다는 것을 보여줍니다.
이는 자연 방전은 고온에서 가속화되며, 일반적으로 방전 속도는 10℃마다 2배씩 증가한다는 것을 알 수 있습니다.
즉, 배터리의 수명을 최대한 늘리기 위해서는
- 충전 사이클의 수를 낮춰야 하고,
- 완전 충전보다는 60~80% 정도의 충전상태를 유지하는 것이 좋고,
- 가급적 낮은 온도에서 보관하고, 발열 관리를 잘하는 것이 중요하다 하겠습니다.
III. 배터리 수명을 늘리는 방법
1. 평소에 60 ~ 80% 정도의 충전 수준을 유지하도록 자주 충전하는 것이 좋습니다.
100% 충전상태보다 80% 정도로 충전하고 사용한다고 생각하고 완전 충전이 되기 전에 충전기를 떼어내고 완전 방전이 되기 전에 충전을 시작하는 것이 좋습니다.
2. 방전되어 꺼질 때까지 쓰지 않고 미리 충전을 해야 합니다.
완전 방전과 완전 충전을 반복하는 것은 배터리 수명에 매우 좋지 않으므로 수시로 충전 상태를 확인하는 습관을 들이는 것이 좋습니다.
3. 배터리는 발열에 가장 취약합니다. 가급적 시원한 환경에서 사용하는 것이 좋습니다.
이불이나 쿠션 등을 아래에 받치고 사용하는 것은 열 배출을 막아 발열이 심해지므로 삼가는 것이 좋습니다.
기기의 발열수준을 낮추기 위해 노트북, 태블릿의 경우 쿨링패드를 사용하거나 써멀구리스를 도포하는 것도 좋은 방법이며, 본체를 완전히 감싸는 케이스는 발열을 심화시키므로 좋지 않을 수 있습니다.
4. 장시간 사용할 때는 어댑터를 연결하고 사용하는 것이 좋습니다.
최근 생산되는 스마트폰이나 노트북들은 기본적으로 과충전 방지 기능이 탑재되어 있습니다. 이 경우 충전이 완료되면 어댑터로 유입되는 전력이 배터리를 거치지 않고 바로 메인보드로 유입되므로 충전 사이클에 영향을 주지 않습니다. 따라서 노트북이나 태블릿 등을 장시간 사용할 때는 어댑터를 연결한 채로 사용하는 것이 좋습니다. 단, 이 경우 어댑터가 연결되어 있으면 지속적으로 전원이 공급되는 환경으로서 배터리에 결코 좋지 않은 환경이니 이 점은 감안하여야 하겠습니다.
5. 배터리 충전은 가급적 사용 중일 때 하는 것을 습관화합시다.
태블릿이나 노트북처럼 충전 중에도 사용이 가능한 기기는 사용 중일 때만 충전하는 것을 습관화하는 것이 좋습니다.
사용하지 않을 때에는 어댑터를 빼두는 것이 과충전 방지에 도움이 되겠습니다.