리튬 전지

리튬 전지(Lithium Battery)는 리튬을 이용하는 전지의 일종이다. 일반적으로는 금속 리튬을 사용하는 일회용 1차 전지를 가리키지만, 일상에서는 충전해서 사용하는 리튬이온 전지를 포함한 리튬계 배터리 전체를 부르는 말로 사용되기도 한다.

가볍고 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 스마트폰, 노트북, 전기자동차, 보조배터리, 무선 이어폰, 에어태그 등 수많은 전자제품에 사용된다.

특히 리튬이온 전지는 현대의 휴대용 전자제품과 전기자동차 산업을 발전시키는 데 결정적인 역할을 했다.

인류가 콘센트에서 조금이라도 멀리 떨어져 살 수 있게 만들어 준 물건이다.

과거에는 전자제품을 사용하려면 콘센트에 연결하거나 무거운 배터리를 사용해야 했다.

그러나 리튬계 전지의 발전으로 상대적으로 작고 가벼운 배터리에도 많은 에너지를 저장할 수 있게 되었다.

이 덕분에 스마트폰과 노트북은 물론 전기자동차까지 대중화될 수 있었다.

그런데 리튬 전지에는 중요한 특징이 하나 있다.

잘못 다루면 위험할 수 있다는 것이다.

특히 일부 리튬이온 전지는 과충전이나 내부 단락, 물리적 손상 또는 제조 결함으로 인해 발열과 화재가 발생할 수 있다.

2016년에는 삼성전자의 갤럭시 노트7이 배터리 관련 사고로 전량 리콜되고 생산까지 중단되는 사건이 발생했다.

또한 항공기에서는 보조배터리를 위탁수하물에 넣을 수 없는 등 여러 안전 규정이 적용된다.

스마트폰을 하루 종일 쓸 수 있게 해 주는 고마운 물건인데, 비행기에 탈 때에는 승객보다 짐 검사를 더 까다롭게 받기도 한다.

한편 리튬 전지와 리튬이온 전지는 반드시 구분해야 한다.

대표적인 리튬 1차전지인 CR2032는 충전할 수 없지만, 스마트폰에 사용되는 리튬이온 전지는 충전해서 반복적으로 사용할 수 있다.

같은 리튬이 들어갔다고 둘 다 충전해도 되는 것은 아니다.

2019년에는 리튬이온 전지의 개발에 기여한 존 B. 구디너프, 스탠리 휘팅엄, 요시노 아키라가 노벨화학상을 공동 수상했다.

개요

전지 문서를 참고하십시오.

리튬 문서를 참고하십시오.

리튬 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하거나, 충전을 통해 전기 에너지를 다시 화학 에너지로 저장하는 장치다.

기본적인 원리는 다른 전지와 크게 다르지 않다.

서로 다른 전극과 전해질 사이에서 일어나는 화학적·전기화학적 반응을 이용한다.

그러나 리튬계 전지는 다른 종류의 전지와 비교했을 때 높은 전압과 에너지 밀도를 구현하기 쉽다는 장점이 있다.

특히 리튬은 원자번호 3번의 가벼운 금속이다.

표준 전극전위가 매우 낮아 적절한 전지 재료와 결합하면 높은 전압을 얻을 수 있다.

이러한 특성 때문에 리튬은 전지의 핵심적인 재료로 활용된다.

원자번호 3번짜리 가벼운 금속 하나가 현대 전자제품의 운명을 바꿔 놓은 셈이다.

물론 리튬이 들어갔다고 모든 전지가 똑같은 것은 아니다.

특히 금속 리튬을 사용하는 1차전지와 리튬이온이 전극 사이를 이동하는 2차전지는 구조와 작동 방식이 다르다.

또한 리튬이온 전지 내부에서도 양극재와 음극재, 전해질 등의 종류에 따라 성능과 안전성, 가격이 달라진다.

주요 특징

항목	내용
영문 명칭	Lithium Battery
주요 원소	리튬(Li)
종류	리튬 금속 1차전지, 리튬이온 2차전지 등
대표적인 1차전지	CR2032, CR2025, CR123A, 리튬 AA 전지
대표적인 2차전지	리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지, LFP 전지
리튬 1차전지	일반적으로 충전 불가
리튬이온 2차전지	충전 및 반복 사용 가능
대표적인 리튬 코인전지 전압	3V
일반적인 리튬이온 셀 공칭전압	약 3.6~3.7V
일반적인 LFP 셀 공칭전압	약 3.2V
주요 장점	높은 에너지 밀도, 가벼운 무게, 다양한 형태
주요 단점	열화, 온도 영향, 화재 위험 및 자원 확보 문제
주요 사용처	스마트폰, 노트북, 전기차, 전자태그, 의료기기, 에너지 저장장치

표에 표시된 전압은 대표적인 제품의 공칭전압이다.

실제 배터리의 전압은 충전 상태와 화학적 구성, 제품에 따라 달라진다.

특히 리튬이온 전지의 완전 충전 전압이 무조건 4.2V로 동일한 것은 아니다.

또한 여러 개의 배터리 셀을 직렬로 연결한 배터리팩은 개별 셀보다 높은 전압으로 작동한다.

리튬 전지의 종류

리튬 1차전지

1차 전지 문서를 참고하십시오.

좁은 의미에서의 리튬 전지다.

금속 리튬을 음극 재료로 사용하는 일회용 전지를 가리키는 경우가 많다.

일반적인 사용자가 충전하도록 설계되지 않았다.

대표적으로 CR2032와 같은 동전형 배터리가 있다.

리튬 1차전지는 장기간 보관할 수 있으며, 적은 전력을 사용하는 기기에서 오랫동안 작동할 수 있다는 장점이 있다.

특히 시계와 자동차 스마트키, 컴퓨터의 RTC 전원, 전자태그 등에 널리 사용된다.

그러나 반드시 일회용으로 사용해야 한다.

다 쓰면 새것으로 바꿔야지, 아깝다고 충전기에 물리면 안 된다.

일회용 리튬 전지를 충전하려고 하면 내부 압력 상승이나 누액, 발열, 파열 등의 위험이 발생할 수 있다.

리튬이온 2차전지

리튬이온 전지 문서를 참고하십시오.

2차 전지 문서를 참고하십시오.

일상에서 충전식 배터리라고 부르는 대표적인 제품이다.

주로 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하는 방식을 활용한다.

일반적인 상용 리튬이온 전지는 충전과 방전을 반복할 수 있도록 설계되어 있다.

대표적인 사용처는 다음과 같다.

• 스마트폰
• 노트북
• 태블릿 컴퓨터
• 무선 이어폰
• 스마트워치
• 보조배터리
• 무선 청소기
• 전동공구
• 전기자동차
• 에너지 저장장치

특히 현대의 스마트폰과 노트북은 리튬이온 전지의 발전과 함께 성장한 제품이라고 할 수 있다.

스마트폰을 하루에도 몇 번씩 충전하면서 배터리가 왜 이렇게 빨리 닳느냐고 욕하지만, 리튬이온 전지가 없었으면 애초에 지금 같은 스마트폰을 만들기도 어려웠다.

리튬폴리머 전지

리튬폴리머 전지 문서를 참고하십시오.

리튬폴리머 전지는 리튬이온 전지와 관련된 기술이다.

다만 리튬폴리머라는 명칭은 제품과 제조사에 따라 다소 넓은 의미로 사용된다.

특히 소비자용 제품에서 리튬폴리머라고 부르는 배터리 상당수는 파우치형 리튬이온 전지이며, 액체 또는 겔 형태의 전해질을 사용할 수 있다.

따라서 리튬폴리머 전지가 일반적인 리튬이온 전지와 완전히 별개의 화학적 원리를 사용하는 것은 아니다.

대표적인 특징은 비교적 얇고 다양한 형태로 제작할 수 있다는 것이다.

특히 스마트폰과 태블릿, 초박형 노트북 등에 널리 사용된다.

그러나 얇고 가볍다는 이유로 안전 문제가 완전히 해결된 것은 아니다.

배터리 내부에서 가스가 발생하면 파우치가 부풀어 오를 수 있다.

휴대전화를 얇게 만들겠다고 배터리를 납작하게 만들었는데, 배터리가 부풀어 오르면 휴대전화가 다시 두꺼워지는 것이다.

물론 부풀어 오른 배터리는 정상적인 상태가 아니며 사용을 중단하고 제조사의 안내에 따라 점검해야 한다.

리튬 금속 이차전지

리튬 금속을 음극으로 사용하는 충전식 전지도 연구되고 있다.

일반적인 상용 리튬이온 전지에서는 흑연 등 다른 재료를 음극으로 사용하는 경우가 많다.

반면 리튬 금속을 직접 음극으로 활용하면 높은 에너지 밀도를 구현할 가능성이 있다.

그러나 충전과 방전 과정에서 리튬 금속의 불균일한 석출과 부반응 등이 발생할 수 있다.

이러한 문제는 전지의 수명과 안전성에 영향을 준다.

따라서 상용화를 위해 다양한 연구가 진행되고 있다.

리튬이온 전지의 작동 원리

기본 구조

리튬이온 전지 문서를 참고하십시오.

일반적인 리튬이온 전지는 다음과 같은 주요 부품으로 이루어진다.

• 양극
• 음극
• 전해질
• 분리막
• 집전체
• 외장재와 보호회로

양극은 일반적으로 리튬을 포함한 금속 산화물이나 인산염 등의 재료를 사용한다.

음극에는 흑연 등의 탄소계 재료가 널리 사용된다.

전해질은 리튬이온이 이동할 수 있도록 돕는다.

분리막은 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 막는다.

특히 분리막은 리튬이온은 통과시키면서 전자가 내부에서 직접 이동하는 것을 제한하도록 설계되어 있다.

배터리 안에서는 이온이 움직이고, 배터리 밖에서는 전자가 움직인다. 이 둘이 각자 맡은 일을 제대로 해야 휴대전화가 작동하는 것이다.

방전

방전은 배터리에 저장된 에너지를 외부 기기에서 사용하는 과정이다.

일반적인 리튬이온 셀에서는 방전하는 동안 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동한다.

동시에 전자는 외부 회로를 통해 이동한다.

이 과정에서 전기 에너지가 공급된다.

예를 들어 스마트폰을 사용하면 배터리가 방전되면서 화면과 프로세서, 통신 모뎀 등에 전력을 공급한다.

배터리에 저장된 에너지가 감소하면 스마트폰의 배터리 잔량도 줄어든다.

유튜브를 보고 게임을 하면서 배터리가 광속으로 줄어드는 것은, 리튬이온들이 열심히 일하고 있다는 뜻이기도 하다.

충전

충전은 외부에서 공급받은 전기 에너지를 배터리 내부에 다시 저장하는 과정이다.

이때 리튬이온은 외부 전력의 도움을 받아 방전할 때와 반대 방향으로 이동한다.

일반적인 흑연 음극을 사용하는 리튬이온 전지에서는 충전하는 동안 리튬이온이 흑연의 층상 구조에 삽입된다.

이러한 과정을 반복하면서 배터리를 여러 차례 사용할 수 있다.

그러나 반복적인 충전과 방전이 완전히 손실 없이 이루어지는 것은 아니다.

전극과 전해질 사이에서는 여러 부반응이 발생할 수 있다.

이러한 변화가 축적되면 배터리의 용량이 감소한다.

배터리는 충전하면 다시 100%가 되지만, 몇 년 지나면 그 100% 자체가 예전의 100%가 아니게 되는 것이다.

분리막

분리막은 배터리의 안전성과 관련된 중요한 부품이다.

양극과 음극이 직접 접촉하면 내부 단락이 발생할 수 있다.

이 경우 큰 전류가 흐르면서 과도한 열이 발생할 위험이 있다.

분리막은 양극과 음극을 물리적으로 분리하면서 리튬이온이 이동하도록 한다.

그러나 제조 결함이나 물리적 손상, 비정상적인 충전 상황에서는 분리막과 전극의 상태가 손상될 수 있다.

따라서 분리막의 품질과 설계는 리튬이온 전지의 안전성에 중요한 영향을 준다.

양극과 음극이 사이좋게 붙어 버리면 안 되기 때문에 아주 얇은 막 하나가 둘 사이를 필사적으로 갈라놓고 있는 것이다.

역사

리튬의 발견

리튬 문서를 참고하십시오.

리튬은 1817년 스웨덴의 화학자 요한 아우구스트 아르프베드손이 광물을 분석하는 과정에서 발견한 원소다.

원자번호는 3번이며, 주기율표의 알칼리 금속에 속한다.

특히 매우 가볍고 화학적으로 반응성이 큰 금속이다.

이러한 특성은 리튬을 전지의 재료로 활용하는 데 유리한 조건이 되었다.

그러나 반응성이 크다는 특징은 안전한 배터리를 개발하는 데 어려움을 주기도 했다.

가볍고 전기도 잘 만들 수 있는데 성격이 좀 과격하다는 문제가 있었던 것이다.

1970년대 리튬 전지 연구

1970년대에는 에너지 문제와 휴대용 전자제품에 대한 수요가 증가하면서 고성능 배터리 연구가 활발하게 진행되었다.

특히 스탠리 휘팅엄은 황화타이타늄을 양극 재료로 사용하는 리튬 전지를 연구했다.

당시의 연구는 리튬이온을 전극 내부에 삽입하는 기술의 가능성을 보여주었다.

그러나 금속 리튬을 사용하는 초기 충전식 전지는 안전성과 반복 사용 과정에서 여러 문제를 가지고 있었다.

특히 충전 과정에서 금속 리튬이 불균일하게 석출되면 내부 단락 등의 위험이 증가할 수 있었다.

따라서 실용적인 충전식 전지를 개발하려면 새로운 재료와 구조가 필요했다.

1980년 구디너프의 연구

존 B. 구디너프 문서를 참고하십시오.

1980년 존 B. 구디너프는 리튬 코발트 산화물 계열의 양극 재료가 높은 전압을 구현할 수 있다는 사실을 보여주었다.

이 연구는 현대 리튬이온 전지의 발전에 중요한 역할을 했다.

특히 이전보다 높은 전압과 에너지 밀도를 얻을 수 있는 가능성을 제시했다.

이러한 성과는 이후 충전식 리튬이온 전지를 개발하는 데 핵심적인 기반이 되었다.

요시노 아키라의 개발

요시노 아키라 문서를 참고하십시오.

1980년대 일본의 요시노 아키라는 탄소계 음극 재료를 이용한 충전식 리튬이온 전지의 개발에 기여했다.

특히 금속 리튬을 직접 음극으로 사용하는 방식의 문제를 개선하면서 상용화 가능성을 높였다.

이를 통해 비교적 안전하고 반복 충전이 가능한 리튬이온 전지의 구조가 발전했다.

이후 일본의 전자제품 기업들은 이러한 기술에 관심을 가지게 되었다.

1991년 상용화

1991년 소니가 리튬이온 전지를 상용화하면서 휴대용 전자제품의 발전에 중요한 변화가 일어났다.

특히 비디오카메라와 휴대전화, 노트북 등의 배터리를 더 작고 가볍게 만들 수 있게 되었다.

이후 리튬이온 전지는 휴대용 전자제품의 주요 전원으로 자리 잡았다.

예전에는 전자제품을 들고 다니는 것보다 배터리를 들고 다니는 게 더 힘들 수도 있었는데, 리튬이온 전지가 그 문제를 상당 부분 해결한 것이다.

2019년 노벨화학상

2019년 노벨화학상은 리튬이온 전지 개발에 기여한 세 명의 과학자에게 돌아갔다.

인물	주요 공헌
스탠리 휘팅엄	초기 충전식 리튬 전지와 전극 삽입 반응 연구
존 B. 구디너프	고전압 리튬 코발트 산화물 양극 개발
요시노 아키라	탄소계 음극을 활용한 상용 리튬이온 전지 발전

노벨위원회는 리튬이온 전지가 휴대용 전자제품과 전기자동차, 재생에너지 저장 기술의 발전에 기여했다고 평가했다.

인류가 휴대전화 배터리를 충전하는 일이 이렇게까지 중요해져서 결국 노벨상까지 나온 것이다.

물론 이 세 사람이 리튬계 배터리의 모든 기술을 단독으로 개발한 것은 아니다.

실제 상용화에는 수많은 과학자와 엔지니어, 제조업체의 연구가 함께 기여했다.

대표적인 리튬 1차전지

CR2032

CR2032 문서를 참고하십시오.

가장 널리 알려진 동전형 리튬 전지 가운데 하나다.

일반적으로 리튬과 이산화망가니즈를 사용하는 1차전지다.

대표적인 사양은 다음과 같다.

항목	내용
명칭	CR2032
공칭전압	3V
지름	20mm
두께	3.2mm
전지 유형	리튬 1차전지
충전	불가능
주요 사용처	스마트키, 전자시계, 컴퓨터 RTC, 에어태그

CR2032의 2032는 크기를 나타내는 표기다.

앞의 20은 지름 20mm, 뒤의 32는 두께 3.2mm를 의미한다.

배터리 이름이 무슨 암호처럼 보이지만 사실 지름과 두께를 알려주는 상당히 친절한 이름이다.

그러나 모든 동전형 배터리가 CR2032인 것은 아니다.

지름이나 두께가 다른 CR2025와 CR2016 등의 제품도 존재한다.

또한 겉모양이 비슷하더라도 충전식 제품과 일반 일회용 제품은 전압과 충전 특성이 다를 수 있다.

예를 들어 LIR2032와 CR2032는 비슷한 크기라도 동일한 배터리로 취급해서는 안 된다.

에어태그의 배터리

에어태그 문서를 참고하십시오.

애플의 에어태그에는 CR2032 리튬 동전형 배터리가 사용된다.

사용자는 배터리 덮개를 열고 CR2032를 교체할 수 있다.

특히 에어태그는 배터리를 충전하는 제품이 아니다.

일반적인 사용을 기준으로 배터리 수명은 1년 이상으로 안내된다.

배터리가 부족해지면 새로운 CR2032로 교체한다.

아이폰은 배터리를 교체하기 어려운데 정작 애플이 만든 에어태그는 사용자가 배터리를 직접 갈아 끼울 수 있다.

다만 CR2032는 작은 동전형 배터리이므로 어린아이가 삼키지 않도록 주의해야 한다.

또한 일부 쓴맛 코팅 CR2032는 기기 내부의 접점 구조에 따라 정상적으로 작동하지 않을 수 있다.

따라서 제조사가 안내하는 호환 배터리를 사용하는 것이 좋다.

리튬 AA 전지

AA 건전지 형태로 만들어진 리튬 1차전지도 있다.

대표적으로 에너자이저의 Ultimate Lithium 제품이 있다.

이 제품은 일반적인 알카라인 AA 전지와 같은 1.5V 공칭전압을 제공한다.

그러나 내부의 화학적 구성은 다르다.

대표적으로 리튬과 이황화철을 이용하는 제품이 있다.

이러한 배터리는 낮은 온도와 장기간 보관 등의 조건에서 장점을 가질 수 있다.

특히 일부 제품은 극저온 환경에서도 사용할 수 있도록 설계되어 있다.

일반 건전지처럼 생겼는데 가격은 더 비싸고, 대신 오래가고 추위에도 강한 제품이다.

다만 모든 사용환경에서 반드시 일반 알카라인 전지보다 경제적이라는 뜻은 아니다.

특히 전력을 적게 소비하는 기기에서는 가격 차이에 비해 체감 성능 차이가 크지 않을 수 있다.

산업용 리튬 1차전지

리튬 1차전지는 산업용 장비에도 사용된다.

대표적으로 리튬 염화티오닐 계열 전지는 높은 전압과 장기 보관 특성 때문에 일부 계측기와 센서 등에 활용된다.

그러나 이러한 산업용 전지는 일반 소비자가 사용하는 CR2032와 화학적 구성 및 안전 요구사항이 다르다.

특히 산업용 전지는 제조사가 지정한 기기와 사용조건에 맞춰 사용해야 한다.

대표적인 리튬이온 전지

LCO

리튬 코발트 산화물(Lithium Cobalt Oxide) 계열의 전지다.

리튬이온 전지의 초기 상용화에서 중요한 역할을 했다.

상대적으로 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 휴대용 전자제품에 널리 사용되어 왔다.

그러나 코발트의 가격과 공급망, 열적 특성 등의 문제가 존재한다.

따라서 자동차와 에너지 저장장치 등에서는 다른 양극재의 활용이 확대되었다.

NMC

NMC 배터리 문서를 참고하십시오.

NMC는 니켈·망가니즈·코발트를 사용하는 리튬이온 전지의 양극재 계열이다.

특히 높은 에너지 밀도와 출력 특성을 목표로 여러 종류의 NMC 양극재가 개발되었다.

전기자동차와 여러 산업용 배터리에 사용된다.

그러나 니켈과 코발트의 함량에 따라 가격과 안정성, 수명 등이 달라질 수 있다.

따라서 모든 NMC 배터리가 동일한 성능을 제공하는 것은 아니다.

NCA

NCA는 니켈·코발트·알루미늄을 사용하는 양극재 계열이다.

일부 전기자동차와 고성능 배터리에 활용되어 왔다.

특히 높은 에너지 밀도를 목표로 하는 배터리 설계에 사용된다.

그러나 실제 안전성과 수명은 양극재의 종류뿐 아니라 셀 구조와 냉각 시스템, 충전 제어 등 여러 요소에 따라 달라진다.

LFP

리튬인산철 배터리 문서를 참고하십시오.

LFP는 Lithium Iron Phosphate의 약자로, 한국어로는 리튬인산철 배터리라고 부른다.

철과 인산염을 기반으로 한 양극재를 사용한다.

일반적인 NMC 계열과 비교하면 에너지 밀도가 낮은 경우가 많지만, 열적 안정성과 수명 및 원재료 비용 등에서 장점을 가질 수 있다.

특히 일부 전기자동차와 에너지 저장장치에 널리 사용된다.

또한 니켈과 코발트를 양극재의 주요 구성 원소로 사용하지 않는다.

다만 LFP 역시 리튬이온 전지의 한 종류이며 화재 위험이 완전히 사라지는 것은 아니다.

비교적 안전하다고 해서 불이 절대로 안 붙는 배터리가 된 것은 아니다.

주요 양극재 비교

종류	특징	주요 활용
LCO	높은 에너지 밀도, 코발트 사용	휴대용 전자제품
NMC	에너지 밀도와 출력 등의 균형	전기자동차, 산업용
NCA	높은 에너지 밀도 지향	일부 전기자동차
LFP	열적 안정성과 수명 등에서 장점	전기자동차, 에너지 저장장치

이 표는 각 화학계열의 일반적인 특징을 설명한 것이다.

실제 제품의 성능은 제조사와 설계, 충전 및 방전 조건 등에 따라 크게 달라질 수 있다.

배터리의 형태

원통형

원통형 리튬이온 전지는 금속 원통 안에 전극과 분리막 등을 넣은 형태다.

대표적인 규격으로는 18650과 21700 등이 있다.

18650은 대략 지름 18mm, 길이 65mm의 원통형 셀을 의미한다.

21700은 대략 지름 21mm, 길이 70mm의 셀을 의미한다.

이러한 배터리는 노트북과 전동공구, 전기자동차 등에 사용된다.

그러나 외형의 크기가 같다고 내부 화학계열과 최대 출력, 용량이 동일한 것은 아니다.

18650이라는 이름을 처음 들으면 무슨 로봇 부품번호 같은데, 알고 보면 배터리의 크기를 나타내는 이름이다.

파우치형

유연한 포장재를 사용해 전지를 얇고 납작하게 만든 형태다.

스마트폰과 태블릿, 노트북 및 일부 전기자동차에 사용된다.

형태를 비교적 자유롭게 설계할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 셀이 손상되거나 내부에서 가스가 발생하면 부풀어 오를 수 있다.

특히 배터리가 부풀어 화면이나 제품 외장을 밀어내는 경우에는 즉시 사용을 중단하고 점검을 받아야 한다.

각형

단단한 금속 외장재를 사용하는 직육면체 형태의 배터리다.

전기자동차와 에너지 저장장치 등에 사용된다.

원통형 및 파우치형과 비교해 공간 활용과 냉각, 제조 공정 등에 장단점이 존재한다.

다만 어느 형태가 무조건 가장 안전하거나 성능이 높다고 단정하기는 어렵다.

주요 사용처

스마트폰

스마트폰 문서를 참고하십시오.

현대 스마트폰의 대부분은 리튬이온 계열의 충전식 배터리를 사용한다.

스마트폰에는 디스플레이와 프로세서, 카메라, 통신 모뎀 등 여러 전력 소비 장치가 들어 있다.

따라서 크기가 작은 배터리에도 많은 에너지를 저장해야 한다.

리튬이온 전지는 이러한 요구에 적합한 기술이다.

그러나 스마트폰의 성능이 향상되면서 전력 소비 역시 증가했다.

특히 고성능 게임이나 영상 촬영, 고해상도 디스플레이 등을 사용하면 배터리 소모가 빨라질 수 있다.

배터리 용량을 늘렸더니 제조사가 화면을 더 밝게 만들고 칩을 더 빠르게 만들어서 결국 배터리가 또 빨리 닳는 것이다.

노트북

노트북 문서를 참고하십시오.

노트북 역시 리튬이온 전지를 널리 사용한다.

특히 과거의 무거운 배터리에 비해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 노트북은 스마트폰보다 많은 전력을 사용할 수 있다.

특히 고성능 프로세서와 그래픽카드를 사용하는 제품에서는 배터리 사용 시간이 크게 줄어들 수 있다.

게이밍 노트북은 배터리가 들어 있어서 노트북이지, 고사양 게임을 할 때에는 사실상 콘센트의 허락을 받아야 하는 컴퓨터다.

전기자동차

전기자동차 문서를 참고하십시오.

리튬이온 전지는 전기자동차 산업의 핵심적인 기술 가운데 하나다.

특히 수많은 배터리 셀을 조합해 대용량 배터리팩을 구성한다.

이 배터리팩은 전기모터와 차량의 여러 장치에 전력을 공급한다.

대표적인 자동차 제조사로는 테슬라, 현대자동차, 기아, BMW, 메르세데스-벤츠 등이 있다.

전기자동차에는 NMC와 NCA, LFP 등 다양한 리튬이온 전지가 사용된다.

차량 제조사는 에너지 밀도와 가격, 충전 속도, 수명 및 안전성 등을 고려해 배터리를 선택한다.

특히 배터리팩에는 냉각 시스템과 배터리 관리 시스템(BMS)이 포함된다.

휴대전화 배터리를 크게 만든다고 자동차가 되는 건 아니지만, 기본적으로 비슷한 전기화학 기술을 이용해 자동차를 움직이는 것이다.

에너지 저장장치

에너지 저장장치 문서를 참고하십시오.

리튬이온 전지는 전력망과 건물의 에너지 저장장치에도 활용된다.

특히 태양광 발전과 풍력 발전은 날씨와 시간에 따라 발전량이 달라진다.

따라서 전력이 많이 생산되는 시간에 에너지를 저장하고 필요할 때 사용하는 기술이 중요하다.

리튬이온 전지는 이러한 용도로 널리 사용된다.

그러나 대형 배터리 시스템에서는 발열과 화재 방지, 환기 및 비상 대응 설계가 중요하다.

또한 대규모 에너지 저장에는 리튬이온 이외의 여러 기술도 사용될 수 있다.

의료기기

일부 의료기기에도 리튬계 전지가 사용된다.

특히 심장박동기와 같은 장기간 사용되는 의료기기에서는 안정적인 전원 공급과 긴 수명이 중요하다.

대표적으로 리튬 요오드 계열의 1차전지가 사용되어 온 사례가 있다.

그러나 의료기기에 사용되는 배터리는 일반 소비자용 배터리와 요구사항이 다르다.

특히 제조사의 안전성 검증과 의료 규제에 따라 엄격하게 관리된다.

스마트폰은 배터리가 다 되면 귀찮은 일이 생기지만, 의료기기는 배터리 신뢰성이 사람의 생명과 직결될 수 있다.

배터리 수명

배터리는 왜 닳는가

리튬이온 전지는 충전과 방전을 반복하면서 내부의 화학적 상태가 변한다.

특히 전극과 전해질 사이의 부반응이 일어나거나, 일부 리튬이온이 더 이상 충전과 방전에 유효하게 참여하지 못하는 상태가 될 수 있다.

이러한 변화는 배터리의 용량 감소로 이어진다.

또한 높은 온도와 과도한 충전 상태, 깊은 방전 및 높은 충전 전류 등은 조건에 따라 열화를 가속할 수 있다.

그러나 모든 리튬이온 전지가 동일한 속도로 열화되는 것은 아니다.

배터리의 화학계열과 제조 품질, 관리 시스템 및 사용 환경에 따라 수명이 달라진다.

배터리 성능 80%

스마트폰 제조사들은 배터리의 최대 용량을 새 제품과 비교한 비율로 표시하기도 한다.

예를 들어 배터리 성능이 80%라면 처음보다 저장할 수 있는 에너지가 감소했다는 의미다.

그런데 여기서 중요한 사실이 있다.

충전 표시가 100%라고 배터리의 성능이 새것과 동일하다는 뜻은 아니다.

배터리가 노후화된 상태에서도 표시되는 충전 잔량은 100%가 될 수 있다.

그러나 실제 저장 가능한 에너지는 감소했을 수 있다.

이 때문에 오래된 스마트폰은 완전히 충전하더라도 사용 시간이 짧아지는 경우가 있다.

0%까지 다 써야 하나?

과거 일부 충전식 전지는 충전과 방전 습관에 관해 여러 문제가 알려져 있었다.

특히 니켈 카드뮴 전지의 메모리 효과가 유명하다.

그러나 일반적인 리튬이온 전지는 이러한 고전적인 메모리 효과를 피하기 위해 매번 0%까지 방전해야 하는 배터리가 아니다.

오히려 극단적인 충전 상태를 장기간 유지하는 것은 배터리 수명에 불리할 수 있다.

다만 스마트폰에 표시되는 0%가 반드시 배터리 셀의 전압이 물리적으로 완전히 0V가 되었다는 뜻은 아니다.

대부분의 제품에는 과방전을 막기 위한 제어 기능이 들어 있다.

배터리를 오래 쓰겠다고 매번 0%까지 괴롭힐 필요는 없다. 배터리는 군대에서 얼차려받는 물건이 아니다.

80%까지만 충전해야 하나?

일부 스마트폰과 노트북, 전기자동차는 배터리 충전 한도를 설정하는 기능을 제공한다.

예를 들어 충전 한도를 80%로 설정하면 배터리가 높은 충전 상태에 머무르는 시간을 줄일 수 있다.

이는 일부 리튬이온 배터리의 장기적인 열화를 늦추는 데 도움이 될 수 있다.

그러나 모든 배터리를 반드시 80%까지만 충전해야 하는 것은 아니다.

배터리의 화학계열과 제조사의 충전 관리 방식, 사용 목적에 따라 권장사항이 다르다.

또한 장거리 운전이나 장시간 외출처럼 최대 사용 시간이 필요한 상황에서는 완전히 충전하는 것이 실용적일 수 있다.

배터리 수명을 늘리겠다고 평생 80%까지만 충전하다가 정작 배터리가 모자라서 불편해지는 것도 이상한 일이다.

온도의 영향

리튬이온 전지는 온도에 영향을 받는다.

특히 높은 온도는 배터리의 화학적 열화를 가속할 수 있다.

반면 낮은 온도에서는 내부 저항이 증가하고 사용 가능한 출력이나 용량이 일시적으로 감소할 수 있다.

특히 낮은 온도에서 부적절한 고속충전을 수행하면 리튬 도금과 같은 문제가 발생할 위험이 있다.

따라서 스마트폰과 전기자동차에는 온도를 감지하고 충전 전류를 조절하는 기능이 탑재되기도 한다.

애플은 아이폰과 아이패드 등의 일반적인 권장 사용 환경을 섭씨 0~35도로 안내하며, 지나친 열은 배터리 성능에 영구적인 손상을 줄 수 있다고 설명한다.

배터리는 더워도 싫고 추워도 싫어한다. 성능 좋은 전자제품을 만들었더니 배터리는 사람처럼 적당한 온도를 좋아하는 것이다.

안전 문제

열폭주

열폭주 문서를 참고하십시오.

리튬이온 전지의 대표적인 위험 가운데 하나다.

열폭주(Thermal Runaway)는 전지 내부에서 발열과 화학반응이 연쇄적으로 증가하는 현상이다.

특히 내부 단락이나 과충전, 외부 충격, 제조 결함 또는 과도한 가열 등이 원인이 될 수 있다.

일단 열폭주가 발생하면 많은 열과 가스가 방출될 수 있다.

심한 경우 화재나 파열로 이어질 수 있다.

이러한 위험 때문에 리튬이온 전지에는 여러 보호장치가 적용된다.

대표적으로 온도 센서와 보호회로, 분리막, 배터리 관리 시스템 등이 있다.

그러나 이러한 장치들이 있다고 모든 사고를 완전히 방지할 수 있는 것은 아니다.

배터리는 작고 가벼운데 그 안에 에너지를 많이 저장해 놓았기 때문에, 문제가 생겼을 때에는 그 에너지가 상당히 난감한 방식으로 방출될 수 있다.

배터리가 부풀어 오르다

일부 리튬이온 전지는 노후화나 내부 손상으로 인해 가스가 발생하면서 부풀어 오를 수 있다.

특히 파우치형 배터리에서는 이러한 변화가 눈에 띄게 나타날 수 있다.

스마트폰의 화면이나 후면 덮개가 벌어지거나 노트북의 키보드와 트랙패드가 들리는 현상으로 확인되기도 한다.

이러한 상태는 정상적인 배터리 상태가 아니다.

배터리가 부풀어 올랐다면 충전과 사용을 중단하고 제조사 또는 전문 수리기관의 안내를 받아야 한다.

배터리를 누르거나 구멍을 뚫어 가스를 빼려고 해서는 안 된다.

휴대전화가 임신한 것처럼 부풀어 올랐다고 직접 바늘로 찔러 출산을 도와주면 안 된다.

갤럭시 노트7 사건

갤럭시 노트7 문서를 참고하십시오.

2016년에 발생한 대표적인 배터리 관련 사건이다.

삼성전자는 2016년 8월 갤럭시 노트7을 출시했다.

그러나 출시 이후 배터리 관련 발열과 화재 사고가 보고되었다.

이에 삼성전자는 2016년 9월 2일 판매를 중단하고 배터리 결함과 관련된 교환 조치를 발표했다.

이후 교환된 제품에서도 문제가 발생하면서 상황이 더욱 심각해졌다.

결국 2016년 10월 삼성전자는 갤럭시 노트7의 판매와 생산을 중단했다.

미국에서는 최초 판매 제품뿐 아니라 교환 제품까지 리콜 대상에 포함되었다.

이 사건은 리튬이온 전지의 설계와 제조, 품질관리가 얼마나 중요한지 보여주는 사례로 남았다.

휴대전화를 잘 만들고도 배터리 문제 하나 때문에 제품 전체를 단종해야 했던 것이다.

다만 갤럭시 노트7의 결함이 모든 리튬이온 전지에 동일하게 존재한다는 의미는 아니다.

또한 정상적으로 설계·제조되고 관리되는 리튬이온 전지를 일반적으로 폭발물과 동일하게 취급하는 것도 부정확하다.

동전형 배터리 삼킴 사고

CR2032 문서를 참고하십시오.

CR2032와 같은 동전형 전지는 어린아이가 삼킬 위험이 있다.

특히 식도에 걸린 동전형 배터리는 전류로 인한 전기화학적 반응으로 주변 조직에 심각한 손상을 줄 수 있다.

미국 소비자제품안전위원회(CPSC)는 동전형 배터리를 삼킨 경우 짧게는 약 2시간 안에도 생명을 위협하는 손상이 발생할 수 있다고 경고한다.

따라서 어린아이가 동전형 배터리를 삼켰거나 삼킨 것으로 의심된다면 증상이 나타날 때까지 기다려서는 안 된다.

즉시 응급 의료기관의 도움을 받아야 한다.

특히 사용을 마친 배터리도 위험할 수 있다.

에어태그에서는 배터리가 다 됐다고 버릴 물건이지만, 어린아이가 삼키면 배터리가 다 된 상태에서도 위험할 수 있는 것이다.

이 문제는 단순히 배터리 내부의 리튬 성분이 독성이 있기 때문에 발생하는 것은 아니다.

식도에 걸린 배터리와 주변 조직 사이의 전기화학적 반응이 중요한 손상 원인이다.

리콜과 불량 배터리

배터리의 안전성은 화학계열뿐 아니라 제조와 설계, 보호회로, 충전기 및 기기 전체의 품질에 영향을 받는다.

특히 저품질 셀이나 부적절한 보호회로를 사용한 제품은 위험성이 높아질 수 있다.

그러나 가격이 비싸다고 반드시 안전한 것도 아니며, 특정 국가에서 생산되었다는 이유만으로 안전성이나 위험성을 단정할 수도 없다.

제품의 인증과 리콜 정보, 제조사의 사용조건 등을 확인하는 것이 중요하다.

항공기와 리튬 전지

보조배터리를 위탁수하물에 넣으면 안 된다

보조배터리 문서를 참고하십시오.

리튬 전지는 항공기에서 별도의 안전 규정이 적용되는 물품이다.

특히 보조배터리와 여분의 리튬이온 배터리, 여분의 리튬 금속 배터리는 일반적으로 위탁수하물에 넣을 수 없다.

미국 연방항공청(FAA)은 이러한 여분의 배터리를 기내수하물로만 운송하도록 규정하고 있다.

이는 배터리에서 문제가 발생했을 때 승무원이 상황을 확인하고 대응할 수 있도록 하기 위한 것이다.

비행기에 타면 승객은 짐칸에 가방을 맡길 수 있지만, 보조배터리는 승객과 함께 기내로 들어와야 한다.

반면 스마트폰이나 노트북처럼 기기에 장착된 배터리는 여분의 배터리와 다른 규정이 적용된다.

일부 기기는 위탁수하물에 넣을 수 있지만 전원을 완전히 끄고 우발적인 작동과 손상을 방지해야 한다.

항공사와 국가별로 추가적인 제한이 존재할 수 있으므로 실제 탑승 전에는 해당 항공사의 안내를 확인해야 한다.

100Wh와 160Wh

FAA의 일반적인 기준에서 리튬이온 여분 배터리는 용량에 따라 제한이 달라진다.

용량	일반적인 FAA 기준
100Wh 이하	개인 사용 목적의 여분 배터리로 기내 반입 가능
100Wh 초과 ~ 160Wh 이하	항공사 승인 필요, 여분 배터리는 최대 2개
160Wh 초과	일반 여객기의 개인용 여분 배터리로 반입 불가

이는 미국의 일반적인 승객용 규정이며, 휠체어와 의료용 장치 등 일부 품목에는 별도 규정이 적용될 수 있다.

또한 항공사는 이보다 엄격한 제한을 적용할 수 있다.

특히 보조배터리의 사용과 보관 위치에 관한 규정은 국가와 항공사에 따라 다를 수 있다.

mAh와 Wh의 차이

와트시 문서를 참고하십시오.

보조배터리에는 일반적으로 10,000mAh 또는 20,000mAh와 같은 용량이 표시된다.

그러나 항공기 반입 제한에서는 Wh라는 단위가 중요하다.

Wh는 에너지의 양을 나타내는 단위다.

전압이 일정하다는 단순한 조건에서 다음과 같이 계산할 수 있다.

Wh = V × Ah
Ah = mAh ÷ 1,000

예를 들어 공칭전압이 3.7V인 배터리 셀을 기준으로 20,000mAh는 약 74Wh에 해당한다.

그런데 중요한 점은 보조배터리 내부 셀의 공칭전압과 USB 출력전압이 다를 수 있다는 것이다.

따라서 20,000mAh에 무조건 USB 출력전압 5V를 곱해 배터리 용량을 판단해서는 안 된다.

제조사가 표시한 정격 에너지(Wh)를 확인하는 것이 가장 정확하다.

보조배터리에는 20,000이라는 커다란 숫자가 적혀 있는데 공항에서는 그 숫자보다 옆에 작게 적힌 Wh를 더 중요하게 보는 것이다.

폐기와 재활용

일반 쓰레기로 버리면 안 된다

리튬이온 전지는 일반 생활폐기물이나 일반 재활용품과 함께 배출하면 위험할 수 있다.

특히 수거차량이나 폐기물 처리시설에서 배터리가 눌리거나 손상되면 화재가 발생할 수 있다.

따라서 배터리 전용 수거시설이나 적절한 유해폐기물 처리시설을 이용해야 한다.

미국 환경보호청(EPA)은 리튬이온 배터리와 리튬 1차전지를 일반 생활쓰레기 또는 일반 재활용품 수거함에 넣지 말고 별도로 배출할 것을 권고한다.

특히 배터리 단자가 다른 금속에 접촉하지 않도록 절연 테이프를 붙이거나 개별 포장하는 것이 좋다.

배터리를 버리는 것까지 따로 관리해야 하니, 쓰는 동안은 편리하지만 버릴 때에는 마지막으로 한 번 더 신경 써야 하는 물건이다.

재활용되는 금속

리튬이온 전지에는 여러 금속과 화학물질이 사용된다.

특히 일부 배터리에는 니켈과 코발트, 망가니즈 및 리튬 등이 포함되어 있다.

이러한 자원은 배터리 재활용을 통해 회수할 수 있다.

다만 배터리의 화학계열에 따라 포함된 금속의 종류가 달라진다.

예를 들어 LFP 배터리는 양극재에 코발트와 니켈을 사용하지 않는다.

따라서 배터리 재활용의 경제성 역시 화학계열과 자원 가격, 회수 기술 등에 영향을 받는다.

또한 재활용을 하더라도 모든 구성 물질을 완전히 회수할 수 있는 것은 아니다.

리튬 채굴과 환경 문제

리튬 문서를 참고하십시오.

리튬은 주로 광석과 염수 등의 자원에서 생산된다.

대표적인 생산 지역에는 호주와 남아메리카, 중국 등이 포함된다.

그러나 채굴과 정제 과정에서는 에너지와 물, 화학물질 등이 사용된다.

특히 지역에 따라 수자원 이용과 생태계 영향 등의 문제가 발생할 수 있다.

또한 배터리 제조에는 리튬 이외의 여러 금속과 소재가 필요하다.

따라서 전기자동차와 에너지 저장장치가 보급된다고 배터리 생산 과정의 환경 문제가 저절로 사라지는 것은 아니다.

반대로 리튬 채굴 과정에서 환경 영향이 존재한다는 이유만으로 전기자동차의 전체 생애주기 환경 영향을 내연기관 자동차보다 반드시 크다고 단정할 수도 없다.

정확한 비교를 위해서는 원료 생산과 제조, 차량 운행, 전력 생산 및 폐기·재활용 등을 함께 고려해야 한다.

차세대 기술

전고체 전지

전고체 전지 문서를 참고하십시오.

전고체 전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 활용하는 전지 기술이다.

일부 설계에서는 높은 에너지 밀도와 안전성 향상을 기대할 수 있다.

그러나 고체 전해질을 사용한다고 모든 안전 문제가 자동으로 해결되는 것은 아니다.

특히 전극과 전해질의 접촉 문제, 제조 비용 및 장기 수명 등을 해결해야 한다.

따라서 전고체 전지의 실용화에는 다양한 연구가 진행되고 있다.

배터리가 불이 날 수 있으니 액체 전해질을 고체로 바꾸자는 연구가 진행되고 있는데, 막상 고체로 바꾸면 또 다른 골치 아픈 문제가 생기는 것이다.

나트륨이온 전지

나트륨이온 전지 문서를 참고하십시오.

나트륨이온 전지는 리튬 대신 나트륨이온을 주요 전하 운반체로 사용하는 충전식 전지다.

나트륨은 지구상에서 비교적 풍부하게 존재하는 원소다.

이에 따라 일부 배터리 분야에서 원료 비용과 공급망 측면의 장점을 기대할 수 있다.

그러나 일반적으로 에너지 밀도 등의 측면에서 리튬이온 전지와 다른 장단점을 가지고 있다.

따라서 모든 리튬이온 전지를 나트륨이온 전지로 즉시 대체할 수 있는 것은 아니다.

특히 가격과 수명, 에너지 밀도 및 저온 성능 등의 조건에 따라 적합한 사용처가 달라진다.

실리콘 음극

리튬이온 전지의 음극 재료로 실리콘을 활용하는 기술도 연구되고 있다.

실리콘은 높은 이론적 용량을 가지고 있어 에너지 밀도를 높일 가능성이 있다.

그러나 충전과 방전 과정에서 부피가 크게 변할 수 있다는 문제가 있다.

이러한 변화는 전극의 구조와 수명에 영향을 줄 수 있다.

따라서 실제 상용 배터리에서는 실리콘을 흑연과 혼합하는 등 다양한 방식이 활용되고 있다.

에피소드

1. 충전해야 하는 리튬과 충전하면 안 되는 리튬

리튬 전지와 리튬이온 전지의 차이를 보여주는 가장 대표적인 사례다.

CR2032는 일반적인 리튬 1차전지다.

따라서 충전하도록 설계되지 않았다.

반면 스마트폰에 사용되는 리튬이온 전지는 반복적인 충전을 위해 개발되었다.

두 제품 모두 리튬과 관련된 기술이지만 사용방법이 다르다.

한쪽은 충전해야 계속 쓸 수 있고, 다른 한쪽은 충전하려고 하면 문제가 생길 수 있다. 이름이 비슷한데 사용법은 정반대인 것이다.

2. 휴대전화가 충전기에서 독립했다

과거 휴대용 전자제품은 배터리의 크기와 무게 때문에 여러 제약이 있었다.

그러나 리튬이온 전지가 보급되면서 상황이 달라졌다.

특히 스마트폰과 노트북은 상대적으로 작고 가벼운 배터리를 사용하면서도 상당한 성능을 제공하게 되었다.

이러한 발전은 무선통신과 반도체 기술의 발전과 함께 이루어졌다.

인류가 휴대전화를 주머니에 넣을 수 있게 되었는데, 이제는 그 휴대전화에 중독되어 하루 종일 충전기를 찾아다니고 있다.

3. 노벨상 받은 배터리

2019년 리튬이온 전지의 개발에 기여한 세 명의 과학자가 노벨화학상을 받았다.

특히 노벨위원회는 리튬이온 전지가 현대의 휴대용 전자제품과 전기자동차 산업을 발전시키는 데 중요한 역할을 했다고 평가했다.

그런데 일반 사용자에게 리튬이온 전지는 대단한 과학적 성과이기보다 매일 충전해야 하는 물건에 가깝다.

과학자들은 노벨상을 받았는데 사용자들은 오늘도 배터리가 10%밖에 안 남았다며 화를 내고 있다.

4. 배터리 100%는 영원한 100%가 아니다

오래된 스마트폰에서도 충전 잔량이 100%라고 표시될 수 있다.

그러나 배터리 자체가 노후화되었다면 저장할 수 있는 에너지의 양은 감소했을 수 있다.

따라서 새 제품과 비교해 사용 시간이 짧아질 수 있다.

특히 충전 횟수와 사용온도, 충전 상태 등이 이러한 열화에 영향을 준다.

똑같이 100%라고 표시되지만, 3년 전의 100%와 지금의 100%는 서로 다른 100%일 수 있는 것이다.

5. 배터리를 아낀다고 배터리를 안 쓰는 사람들

리튬이온 전지의 수명을 관리하기 위해 충전 한도를 80%로 설정하는 사용자가 있다.

이는 특정한 조건에서 배터리 열화를 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

그러나 배터리를 오래 쓰는 것과 당장 충분한 사용 시간을 확보하는 것은 서로 다른 문제다.

특히 장시간 외출이나 여행을 앞두고 있다면 완전히 충전하는 것이 더 실용적일 수 있다.

배터리를 오래 쓰겠다고 매일 80%까지만 충전해 놓고, 정작 오후가 되면 배터리가 부족하다고 걱정하는 사람들도 있다.

다만 이러한 사용습관이 반드시 잘못된 것은 아니며, 사용 목적에 따라 적절한 충전 한도를 선택하면 된다.

6. 노트북에 배터리가 달려 있지만 콘센트를 찾는다

노트북은 배터리를 내장한 휴대용 컴퓨터다.

그러나 고성능 게이밍 노트북은 프로세서와 그래픽카드의 전력 소비가 상당히 클 수 있다.

특히 게임을 실행하면 일반적인 문서작업보다 훨씬 많은 전력을 사용할 수 있다.

따라서 일부 고성능 노트북은 배터리 상태에서 성능을 제한하기도 한다.

이동하면서 쓰라고 배터리를 넣어 놨는데 최고 성능으로 게임하려면 결국 콘센트를 찾아야 한다.

7. 배터리를 크게 만들면 자동차가 움직인다

리튬이온 전지는 스마트폰뿐 아니라 전기자동차에도 사용된다.

물론 전기자동차의 배터리팩은 스마트폰의 배터리와 구조와 규모, 냉각 및 제어 시스템에서 큰 차이가 있다.

그러나 기본적인 전기화학 원리는 서로 관련되어 있다.

특히 여러 배터리 셀을 조합하면 상당한 양의 에너지를 저장할 수 있다.

휴대전화에 쓰는 기술을 엄청나게 키웠더니 이제는 사람을 태우고 고속도로를 달릴 수 있게 된 것이다.

8. 자동차 가격의 상당 부분이 배터리다

전기자동차에서 배터리팩은 주요 비용 요소 가운데 하나다.

특히 배터리의 용량과 화학계열, 제조 공정 및 원재료 가격에 따라 비용이 달라진다.

따라서 자동차 제조사들은 에너지 밀도를 높이면서 생산비용을 줄이기 위해 경쟁하고 있다.

일부 모델에서는 LFP 배터리를 사용해 원재료 비용을 줄이기도 한다.

그러나 LFP를 사용한다고 모든 차량이 저렴해지는 것은 아니다.

실제 자동차 가격에는 배터리뿐 아니라 차량 설계와 생산 규모, 공급망 및 판매전략 등 여러 요소가 영향을 준다.

자동차 회사가 엔진을 없애더니 이번에는 배터리 가격 때문에 골머리를 앓게 된 것이다.

9. 비행기에 타면 보조배터리가 특별대우를 받는다

리튬이온 전지는 일반적으로 안전하게 사용할 수 있도록 설계된다.

그러나 손상이나 내부 결함 등으로 인해 화재가 발생할 가능성은 존재한다.

이에 따라 항공기에서는 별도의 안전 규정이 적용된다.

특히 여분의 리튬 배터리와 보조배터리는 일반적으로 위탁수하물에 넣을 수 없다.

반드시 기내수하물로 운송해야 한다.

사람은 비행기 수하물칸에 갈 수 없지만, 보조배터리도 안전 때문에 수하물칸에 갈 수 없다. 물론 이유는 서로 다르다.

항공사별 추가 규정이 있으므로 실제 탑승 전에는 해당 항공사의 안내를 확인해야 한다.

10. CR2032는 이름부터 자기 몸집을 공개한다

CR2032는 대표적인 동전형 리튬 전지다.

제품명에 포함된 2032는 지름과 두께를 나타낸다.

지름은 20mm이며 두께는 3.2mm다.

비슷한 이름의 CR2025는 두께가 2.5mm인 다른 규격이다.

따라서 두 제품은 외형이 비슷해 보이더라도 사용기기의 요구사항을 확인해야 한다.

배터리 이름이 2032라고 해서 2032년에 출시될 미래형 배터리가 아니라, 그냥 크기를 알려주는 것이다.

11. 에어태그에는 충전단자가 없다

에어태그 문서를 참고하십시오.

애플의 에어태그는 위치를 찾기 위한 소형 전자제품이다.

그러나 충전식 배터리를 사용하는 제품은 아니다.

CR2032를 사용하며, 배터리가 부족하면 새것으로 교체한다.

특히 사용자가 직접 배터리 덮개를 열 수 있다.

아이폰에는 충전단자를 넣었다가 없앴다가 하는 애플이 에어태그에는 아예 충전단자를 넣을 생각을 하지 않은 것이다.

이러한 설계는 전력 소비가 작은 제품에서 일회용 리튬 전지가 유용하다는 점을 보여준다.

12. 갤럭시 노트7은 결국 단종됐다

갤럭시 노트7 문서를 참고하십시오.

2016년 갤럭시 노트7은 배터리 관련 사고로 리콜되었다.

삼성전자는 처음에는 제품을 교환하는 방식으로 대응했다.

그러나 교환 제품에서도 문제가 보고되면서 결국 생산과 판매를 중단했다.

이 사건은 배터리의 안전성과 품질관리가 전자제품 전체의 신뢰성에 얼마나 중요한 영향을 미치는지 보여주었다.

수많은 엔지니어가 만든 스마트폰이 배터리 문제로 출시된 지 얼마 지나지 않아 시장에서 사라져 버린 것이다.

다만 특정 제품의 결함을 모든 리튬이온 전지의 일반적인 특성으로 확대해서 해석하는 것은 부정확하다.

13. 배터리가 부풀면 휴대전화가 뚱뚱해진다

리튬이온 전지는 내부에서 가스가 발생하면 부풀어 오를 수 있다.

특히 파우치형 배터리에서는 이러한 변형이 제품의 외관에 나타날 수 있다.

오래된 스마트폰의 화면이나 뒷면이 들뜨는 현상이 발생하기도 한다.

이 경우 배터리를 계속 사용하거나 충전하는 것은 위험할 수 있다.

휴대전화가 살이 쪘다고 다이어트시키려고 누르거나 배터리에 구멍을 내면 절대로 안 된다.

정상적이지 않은 팽창이 확인되면 사용을 중단하고 전문가의 점검을 받아야 한다.

14. 추우면 배터리가 게을러진다

리튬이온 전지는 낮은 온도에서 사용 가능한 출력과 용량이 일시적으로 감소할 수 있다.

특히 전기자동차에서는 겨울철 주행거리와 충전 성능이 영향을 받을 수 있다.

그러나 모든 저온 성능 감소가 배터리의 영구적인 손상을 의미하는 것은 아니다.

적절한 온도로 돌아오면 일부 성능이 회복될 수 있다.

배터리도 겨울에는 이불 밖으로 나가기 싫어하는 것처럼 성능이 떨어질 수 있는 것이다.

다만 매우 낮은 온도에서의 충전은 별도의 안전 문제가 발생할 수 있으므로 제조사의 지침을 따라야 한다.

15. 보조배터리의 용량에는 함정이 있다

보조배터리에는 10,000mAh나 20,000mAh 같은 숫자가 크게 표시되는 경우가 많다.

그러나 실제 스마트폰을 충전할 수 있는 횟수는 단순히 두 제품의 mAh를 나눈 값과 같지 않다.

배터리 내부의 전압과 출력전압이 다를 수 있으며, 전압 변환과 충전 과정에서도 에너지 손실이 발생하기 때문이다.

또한 스마트폰의 배터리 상태와 충전 중 전력 소비도 영향을 준다.

보조배터리가 20,000mAh이고 휴대전화가 5,000mAh라고 해서 무조건 정확히 네 번 완충되는 것은 아니다.

16. 충전기에 꽂아 놓았다고 계속 같은 속도로 충전되는 것은 아니다

리튬이온 전지는 충전 상태와 온도 등에 따라 충전 전류를 조절한다.

특히 많은 충전 시스템에서는 충전 초기와 후반부의 충전속도가 다르다.

완충 상태에 가까워지면 배터리 보호를 위해 충전 전류를 줄이는 경우가 많다.

따라서 0%에서 50%까지 충전하는 시간과 50%에서 100%까지 충전하는 시간이 반드시 같지는 않다.

배터리는 초반에는 열심히 충전되다가 막판에 갑자기 신중해지는 경우가 많다.

17. 배터리에도 관리자가 있다

배터리 관리 시스템 문서를 참고하십시오.

현대의 리튬이온 배터리팩에는 BMS(Battery Management System)가 사용된다.

이 시스템은 배터리의 전압과 전류, 온도 등을 감시하고 충전 및 방전을 관리한다.

특히 전기자동차에서는 여러 배터리 셀의 상태를 관리해야 한다.

일부 시스템은 셀 사이의 충전 상태 차이를 줄이는 밸런싱 기능도 제공한다.

이는 배터리의 성능과 수명, 안전성을 관리하는 데 중요한 역할을 한다.

배터리도 셀 수백 개가 모여 있으면 혼자 관리가 안 되니, 결국 관리자를 따로 고용해야 하는 셈이다.

물론 BMS는 사람이 아니라 전자회로와 소프트웨어로 이루어진 제어 시스템이다.

18. 충전하기 싫어서 교체식 배터리를 쓰던 시절도 있었다

과거의 일부 휴대전화는 배터리를 쉽게 분리할 수 있었다.

사용자는 배터리를 두 개 가지고 다니면서 하나가 방전되면 다른 배터리로 교체할 수 있었다.

그러나 스마트폰의 두께와 방수·방진, 일체형 설계 등을 중시하면서 배터리를 사용자가 쉽게 교체하기 어려운 제품이 많아졌다.

이에 따라 일반 소비자는 배터리를 직접 교체하는 대신 충전기와 보조배터리를 사용하는 경우가 많아졌다.

옛날에는 배터리가 떨어지면 새 배터리를 끼웠는데, 지금은 보조배터리를 휴대전화에 연결해서 배터리를 충전하는 배터리를 따로 들고 다닌다.

19. 환경을 지키기 위해 만든 전기차에도 광물이 필요하다

리튬이온 전지는 전기자동차와 재생에너지 저장장치에 사용된다.

그러나 배터리를 제조하려면 리튬과 여러 금속, 전극 재료, 전해질 및 기타 부품이 필요하다.

이러한 자원은 채굴과 정제 과정을 거친다.

따라서 배터리 생산에도 환경적인 영향이 존재한다.

이는 전기자동차가 무조건 환경에 나쁘다는 뜻도, 무조건 환경에 좋다는 뜻도 아니다.

제품 전체의 생애주기를 고려해야 한다는 의미다.

화석연료를 덜 쓰려고 배터리를 만들었더니 이번에는 배터리를 만드는 데 필요한 광물을 어디서 가져올지가 중요한 문제가 된 것이다.

20. 리튬이온 전지라고 순수 리튬 덩어리가 들어 있는 것은 아니다

일반적인 상용 리튬이온 전지는 금속 리튬을 음극으로 사용하는 일회용 리튬 전지와 구조가 다르다.

특히 흑연 음극을 사용하는 리튬이온 전지에서는 리튬이온이 전극 재료 내부에 삽입되었다가 이동한다.

따라서 배터리 안에 금속 리튬 덩어리가 들어 있다는 식으로 이해하면 부정확하다.

물론 다른 형태의 충전식 리튬 금속 전지도 별도로 연구되고 있다.

리튬이온 전지라는 이름을 듣고 안에 리튬 금속을 한가득 채워 놓았을 거라고 생각하면 실제 구조와는 다르다는 것이다.

21. 다 쓴 배터리도 끝까지 위험할 수 있다

배터리가 방전되었다고 해서 내부에 저장된 에너지가 완전히 0이 된 것은 아닐 수 있다.

특히 버려지는 리튬이온 배터리는 압착되거나 금속 물체와 접촉할 때 화재 위험이 발생할 수 있다.

이 때문에 일반 쓰레기나 재활용품과 함께 버려서는 안 된다.

특히 배터리의 단자는 절연하고 적절한 수거시설을 이용하는 것이 좋다.

전자제품에서는 배터리가 다 됐다고 꺼졌는데, 쓰레기 처리시설에서는 마지막으로 사고를 칠 수도 있는 것이다.

22. 배터리 기술이 좋아지면 사람들은 더 많이 쓴다

리튬이온 전지의 에너지 밀도가 높아지면서 전자제품을 더 오래 사용할 수 있게 되었다.

그러나 동시에 전자제품의 성능도 계속 높아졌다.

특히 스마트폰의 고해상도 디스플레이와 고성능 프로세서, 무선통신 및 여러 기능이 많은 전력을 소비한다.

따라서 배터리 기술의 발전이 언제나 배터리 사용 시간의 극적인 증가로 이어지는 것은 아니다.

배터리가 발전하면 제조사들이 기다렸다는 듯이 더 밝은 화면과 더 빠른 칩을 넣어서 그 배터리를 다시 다 써 버리는 것이다.

평가

리튬계 전지는 현대의 전자제품과 전기자동차 산업을 발전시키는 데 중요한 역할을 한 기술이다.

특히 리튬이온 전지는 높은 에너지 밀도와 반복 충전 능력을 바탕으로 휴대용 전자제품을 대중화하는 데 기여했다.

또한 전기자동차와 대규모 에너지 저장장치의 발전에도 중요한 역할을 수행하고 있다.

그러나 모든 리튬 전지가 동일한 것은 아니다.

금속 리튬을 사용하는 일회용 1차전지와 충전식 리튬이온 전지는 구조와 사용 목적이 다르다.

또한 리튬이온 전지 내부에서도 LFP와 NMC, NCA 등 여러 종류가 존재한다.

특히 배터리의 안전성과 수명은 화학적 구성뿐 아니라 제조 품질과 보호회로, 충전 관리 및 사용환경 등에 따라 달라진다.

따라서 리튬 전지를 단순히 위험한 물건이라고 평가하거나, 반대로 현대의 기술로 모든 문제가 해결되었다고 평가하는 것은 적절하지 않다.

특히 배터리 기술은 에너지 밀도와 안전성, 가격 및 수명을 동시에 개선해야 하는 과제를 가지고 있다.

그럼에도 리튬이온 전지가 현대 사회에 미친 영향은 매우 크다.

스마트폰과 노트북, 전기자동차 및 여러 휴대용 전자제품은 리튬이온 전지의 발전 없이는 현재와 같은 형태로 보급되기 어려웠을 것이다.

결국 리튬 전지는 인류를 콘센트에서 해방시킨 기술이지만, 동시에 인류가 하루 종일 배터리 잔량을 확인하게 만든 기술이기도 하다.

주요 연혁

연도	내용
1817년	리튬 원소 발견
1970년대	휘팅엄의 충전식 리튬 전지 연구
1980년	구디너프의 고전압 양극재 연구
1985년	요시노 아키라의 상용화 가능한 리튬이온 전지 구조 개발
1991년	소니의 리튬이온 전지 상용화
1990년대	노트북과 휴대전화에 리튬이온 전지 보급
2000년대	디지털 기기와 고성능 휴대용 전자제품으로 활용 확대
2010년대	스마트폰과 전기자동차 산업에서 리튬이온 전지의 중요성 증가
2016년	갤럭시 노트7 배터리 관련 사고 및 리콜
2019년	리튬이온 전지 개발 관련 노벨화학상 수여
2020년대	LFP 전지 보급 확대, 전고체·나트륨이온 등 차세대 기술 개발

여담

• 리튬은 원자번호 3번의 알칼리 금속이다.
• 리튬계 전지는 상대적으로 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
• 좁은 의미의 리튬 전지는 일반적으로 금속 리튬을 사용하는 1차전지를 가리킨다.
• 일상에서는 리튬이온 전지를 포함한 리튬계 배터리 전체를 부르는 말로 쓰이기도 한다.
• 리튬 1차전지와 리튬이온 2차전지는 서로 다르다.
• CR2032는 일반적으로 충전할 수 없는 리튬 1차전지다.
• 스마트폰에는 주로 충전 가능한 리튬이온 전지가 사용된다.
• 일회용 리튬 전지를 임의로 충전하는 것은 위험하다.
• CR2032의 공칭전압은 3V다.
• CR2032의 지름은 20mm, 두께는 3.2mm다.
• CR2025와 CR2016 등 다른 크기의 동전형 리튬 전지도 존재한다.
• 애플 에어태그는 CR2032 배터리를 사용한다.
• 에어태그는 충전해서 쓰는 기기가 아니라 배터리를 갈아 끼우는 기기다.
• 리튬 AA 전지 가운데는 1.5V를 제공하는 제품도 있다.
• 일부 리튬 AA 전지는 극저온 환경에서 높은 성능을 제공하도록 설계되어 있다.
• 일반적인 리튬이온 전지는 흑연 음극과 리튬계 양극재를 사용한다.
• 리튬이온 전지에서 리튬이온은 충전과 방전 과정에 따라 전극 사이를 이동한다.
• 전자는 외부 회로를 통해 이동하면서 전기 에너지를 전달한다.
• 분리막은 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 방지한다.
• 양극과 음극이 직접 만나면 전기가 잘 통하는 게 아니라 배터리에 심각한 문제가 생길 수 있다.
• 리튬폴리머 전지는 리튬이온 전지와 완전히 별개의 기술이 아니다.
• 일부 리튬폴리머 제품은 파우치형 구조를 사용한다.
• 파우치형 배터리는 손상이나 내부 가스 발생으로 부풀어 오를 수 있다.
• 부풀어 오른 배터리는 구멍을 뚫어 가스를 빼는 방식으로 수리하면 안 된다.
• 리튬이온 전지의 개발에 기여한 과학자 세 명이 2019년 노벨화학상을 받았다.
• 상용 리튬이온 전지는 1991년 소니가 출시했다.
• 리튬이온 전지는 스마트폰과 노트북에 널리 사용된다.
• 전기자동차 역시 대용량 리튬이온 배터리팩을 사용한다.
• LFP는 리튬인산철 배터리를 의미한다.
• NMC는 니켈·망가니즈·코발트를 사용하는 양극재 계열이다.
• LFP와 NMC는 서로 다른 장단점을 가지고 있다.
• LFP 배터리도 화재 위험이 완전히 없는 것은 아니다.
• 일부 전기자동차에는 NCA 계열 배터리도 사용된다.
• 배터리의 에너지 밀도는 무게와 부피에 비해 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지를 나타낸다.
• 배터리의 수명은 충전과 방전 횟수뿐 아니라 온도와 사용조건에도 영향을 받는다.
• 오래된 배터리도 충전 잔량 100%를 표시할 수 있지만 저장 가능한 에너지는 새것보다 적을 수 있다.
• 리튬이온 전지를 매번 0%까지 방전할 필요는 없다.
• 일부 기기에서 충전 한도를 80%로 설정하면 배터리 수명 관리에 도움이 될 수 있다.
• 그러나 모든 배터리를 무조건 80%까지만 충전해야 하는 것은 아니다.
• 높은 온도는 리튬이온 전지의 열화를 가속할 수 있다.
• 낮은 온도에서는 사용 가능한 출력과 용량이 일시적으로 감소할 수 있다.
• 전기자동차는 배터리 온도 관리를 위한 냉각과 가열 시스템을 사용하기도 한다.
• 스마트폰과 자동차 모두 배터리의 온도 관리가 중요하다.
• 2016년 갤럭시 노트7은 배터리 관련 사고로 리콜되고 단종되었다.
• 이는 모든 리튬이온 전지가 동일한 결함을 가지고 있다는 의미는 아니다.
• 리튬이온 전지는 손상이나 제조 결함 등으로 열폭주가 발생할 수 있다.
• 열폭주는 배터리 내부의 발열과 화학반응이 연쇄적으로 진행되는 현상이다.
• CR2032와 같은 동전형 배터리는 어린아이가 삼키면 심각한 손상을 일으킬 수 있다.
• 동전형 배터리를 삼킨 것으로 의심되면 즉시 응급 의료기관의 도움을 받아야 한다.
• 여분의 리튬 배터리와 보조배터리는 일반적으로 항공기의 위탁수하물에 넣을 수 없다.
• 배터리가 비행기 기내에 탑승하는 데에도 별도의 규정이 적용된다.
• 보조배터리의 항공 반입 제한에서는 mAh보다 Wh가 중요하다.
• 실제 항공기 반입 규정은 항공사와 국가, 배터리 용량에 따라 달라질 수 있다.
• 전기자동차의 배터리 관리 시스템은 전압과 전류, 온도 등을 관리한다.
• 리튬이온 전지는 일반 생활쓰레기와 섞어 버리면 위험할 수 있다.
• 폐기할 때에는 적절한 배터리 수거시설을 이용해야 한다.
• 리튬이온 전지의 재활용을 통해 일부 금속 자원을 회수할 수 있다.
• 배터리 제조에 필요한 광물의 채굴과 정제 과정에도 환경적인 영향이 존재한다.
• 전고체 전지는 차세대 배터리 기술 가운데 하나다.
• 나트륨이온 전지는 리튬이온 전지의 대안으로 연구되고 있는 기술이다.
• 배터리를 오래 쓰려고 배터리를 아껴도 결국 언젠가는 배터리를 교체해야 할 수 있다.
• 휴대전화와 자동차의 크기는 수십 배 이상 차이가 나지만 둘 다 리튬이온 전지를 사용할 수 있다.
• 배터리의 성능이 좋아지면 제조사들은 더 많은 기능을 넣고, 소비자는 그 기능을 사용하면서 배터리가 빨리 닳는다고 불평한다.
• 배터리는 현대 문명의 필수품이지만, 필요 없어진 뒤에도 제대로 버리지 않으면 마지막까지 문제를 일으킬 수 있다.
• 리튬이온 전지는 인류가 콘센트를 떠날 수 있게 만들어 주었지만, 정작 인류는 언제나 충전할 콘센트를 찾아다니고 있다.

관련 문서

• 리튬
• 알칼리 금속
• 전지
• 건전지
• 1차 전지
• 2차 전지
• 리튬이온 전지
• 리튬폴리머 전지
• 리튬인산철 배터리
• NMC 배터리
• 전고체 전지
• 나트륨이온 전지
• CR2032
• CR2025
• AA 건전지
• 보조배터리
• 배터리 관리 시스템
• 에너지 밀도
• 전기화학
• 전극
• 전해질
• 분리막
• 전자기학
• 열폭주
• 단락
• 충전
• 무선충전
• USB-C
• NFC
• 에어태그
• 스마트폰
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• 존 B. 구디너프
• 스탠리 휘팅엄
• 노벨화학상
• 재활용
• 리튬 채굴
• 화재
• 항공기
• 와트시

외부 링크 및 출처

• 노벨상 공식 홈페이지 - 2019년 노벨화학상, 리튬이온 전지의 개발
• 노벨상 공식 홈페이지 - 리튬이온 전지의 발전과 세 수상자의 공헌
• 미국 에너지부 - 배터리의 작동 원리
• 미국 에너지부 - 리튬이온 전지의 기술과 전해질 연구
• 미국 에너지부 - 리튬 금속 전지의 개발 과제
• 파나소닉 에너지 - CR2032 리튬 1차전지 기술 사양
• 에너자이저 - 리튬 AA 및 AAA 전지
• 미국 환경보호청 - 가정용 배터리의 종류와 폐기
• 미국 환경보호청 - 리튬이온 전지의 재활용과 안전 문제
• 미국 환경보호청 - 사용이 끝난 리튬이온 전지의 처리
• 미국 연방항공청 - 리튬 배터리의 항공기 반입 규정
• 미국 연방항공청 - 항공 승객과 배터리 관련 안내
• 미국 소비자제품안전위원회 - 동전형 배터리 삼킴 사고와 리스법
• 삼성전자 - 갤럭시 노트7 배터리 문제 공식 발표(2016년 9월)
• 삼성전자 - 갤럭시 노트7 리콜 확대(2016년 10월)
• 애플 - 배터리 성능과 수명 관리
• 미국 에너지부 - 전고체 전지용 리튬이온 전도체 연구(2026년 9월)
• 미국 에너지부 - 차세대 배터리 기술