이차전지(충전지)의 종류와 휴대폰 배터리 수명

충전지는 이차전지라고 요즈음은 더 많이 불린다. 일반전지를 일차전지라고 하고 방전되는 전류를 이용하지만 이치전지는 충전하여 재사용 가능하기 때문에 전지기동차를 포함하여 현대 전자기기의 필수 요소입니다.

이차전지(충전지)의 종류와 원료

충전지의 종류는 재료에 따른 분류로 IMR(리튬망간), Li-ion(리튬이온), LifePO4(리튬인산철), Ni-MH(니켈수소), Ni-Cd(니켈카드뮴)형이 있습니다. 많은 충전지들이 아직은 리튬(Li)을 사용하고 있는데, 스마트폰과 컴퓨터 같은 디지털 기기, 전기자동차에까지 대량으로 사용되고 있고, 리튬은 매장량이 많지 않아서 지금 추세라면 수십 년 안에 고갈될 가능성이 높습니다.
따라서 나트륨(Na)과 같은 원소를 이용하여 리튬과 비슷한 화학적 특징을 갖는 충전지 개발도 진행 중입니다. 소금의 주성분으로 양이 풍부하여 고갈의 리스크가 적다는 점에서도 유리합니다.

 

메모리 효과
충전지가 사용할 수 있는 충전 횟수에 한계를 기억하는 것과 같은 효과를 메모리 효과(Memory Effect) 라고 합니다.

니켈로 만든 충전지에서는 NiOH에서 OH가 떨어졌다 붙었다 하면서 전하를 전달하게 되는데, 완전 충전후 조금만 사용하고 다시 충전하는 것을 몇번만 반복하게 되면 새 전지라도 용량이 뚝 떨어지게 됩니다.
충전지의 특징
현재 주요 사용하는 충전지의 특징을 간단히 요약하면, 리튬이온 배터리는 크기에 비해 용량이 큰 편으로 휴대용기기에 많이 사용합니다.

같은 크기의 니켈 카드뮴(니카드) 배터리보다 용량이 3배 정도 크고, 메모리 현상이 없어 배터리를 오랫동안 사용할 수 있습니다. 하지만 가격이 비싸고 높은 온도에서 폭발할 수 있으니 주의해야 합니다.
리튬이온 배터리는 약 500회 충전시 배터리 성능이 급격하게 떨어집니다. 리튬망간 배터리가 리튬이온 배터리에 비해 전류량을 일정하게 출력을 낼 수 있어 체감상 더 성능이 좋음을 알수 있었습니다. 충전도 리튬이온에 비해 빠른 편입니다.

각 충전기의 각 재료들에 따른 특징은 아래와 같습니다.

-산성계 : 납축전지(Pb ) ( 자동차,산업용) -> 황산농도저감/황산납생성현상 생김.
-알카리계: 니켈카드늄(Ni-Cd) (전동공구,카세트) -> 용량이 줄어드는 메모리현상 있음, 저렴한 가격
니켈아연(Ni-Zn) (공업용 대용량) -> 용량이 줄어드는 메모리현상 있음
니켈수소 (Ni-MH) (전기면도기,장난감) -> 용량이 줄어드는 메모리현상 있음
-리튬계 : 리튬이온/폴리머(Li-ion) (휴대폰/PC/PDA/DSC) -> 용량이 줄어드는 메모리현상 없음. 셀가격 비쌈

	건전지	충전지	리튬전지(건전지에 속함)
재료(성분)	망간, 알카라인, 리튬	1. 니켈카드뮴, 니켈수소,   2. 리튬이온, 리튬폴리머	리튬
전압	알카라인, 망간: 1.5V   리튬: 3V	니켈카드뮴, 니켈수소: 1.2V   리튬이온: 3.6V   리튬 폴리머: 3.7V	3V
규격	AA, AAA, C, D, 9V, 6V	AA, AAA, C, D, 9V 외	버튼형: CR2450, CR2032... 외   원통형: CR2, CR123A
사용처	규격에 따름(각종 전자제품)	1. 규격에 따름(니켈류)   2. 휴대폰, 카메라 등의 전용전지	버튼형: 계산기, 시계, 차량시동키 외   원통형: 카메라, 차량시동키 외

출력전압
리튬폴리머는 셀당 3.7V 고출력, 니켈카드늄은 셀당 1.2V 출력, 납축전지는 셀당 2.1V 출력됩니다.

과방전
과방전으로 문제가 되는 2차전지는 리튬이온,리튬폴리머 그리고 납축전지입니다. 특히 리튬이온은 셀당 2V이하로 방전이 되면 CELL자체가 파손되며 납축전지도 완전 방전시 셀파괴됩니다. 니켈을 양극으로 하는 니켈카드뮴, 니켈수소는 메모리 효과로 가끔 방전을 시켜 주는 것이 좋지만,3~6개월에 한번씩 셀당 0.7~0.8V까지 방전시켜 주면 됩니다.

과충전
리튬이온이나 리튬폴리머를 과충전 시나 4.2V이상으로 충전하면 폭발 문제가 있어 PCM회로(보호회로)를 사용합니다. 니켈카드뮴 전지(Ni-Cd)는 과충전에 아주 둔감하고 니켈-금속수화물(Ni-MH)도 과충전후 방전이 좀 일어난 후에 폭발하지만 리튬폴리머계열은 어느 정도 이상으로 과충전되면 바로 폭발합니다.

충전
니켈계열은 메모리현상 때문에 완전충전(100%)및 완전방전이 오래 사용하는 방법이고 리튬계열은 메모리현상이 없어 필요시 충전/사용하면 되지만, 폭발위험성 때문에 보호회로가 내장되어 있습니다.


휴대폰 배터리 수명 : 오래쓰는 법 - 과충전, 완전방전은 하지 않기, 항상 적정 용량 유지하기

휴대폰과 같은 자주 사용하는 전저기기의 배터리는 지속적인 충·방전으로 인해 정해진 배터리의 수명은 짧아지게 된다. 그나마 오래 사용할 수 있는 방법으로는 최대한 사용하다가 아이폰과 같이 저전력 모드로 들어가기 전(잔량 20% 내외)에 충전기를 연결하는 것이다.
메모리 현상에 대한 우려도 있는데, 요즘 출시되는 휴대폰에 탑재된 리튬이온 배터리는 이런 현상이 거의 없고 과충전과 완전방전을 방지하기 위한 기능이 기본으로 탑재되어 있다.
그리고 고속 충전 보다는 가능한 한 오랜 시간 낮은 전압으로 천천히 충전하는 것이 배터리 수명에는 더 좋다고 한다. 수명 단축은 완전방전도 문제지만, 필요 이상 과충전도 좋지 않다.
휴대폰 배터리 오래 쓰는 방법을 정리해 보았다.
① 가능한 한 온도 10~35도 환경에서 충전하기. 충전 중 고온이나 저온에 노출되지 않도록 해야 한다.
② 100% 충전 보다는 20~80% 사이로 유지하는 것이 수명에는 더 좋다. 100% 충전되면, 충전기에서 분리하고, 밤새 충전기에 꽂아두지 않아야 한다. 삼성과 LG 휴대폰인 경우는 충전율이 20%로 낮아지면 재충전하는 것이 좋다
③ 배터리 잔량 측정의 정확도를 높이기 위하여는 한 달에 한 번 이상 완전한 충방전을 하면 된다고 한다.
④ 배터리는 급속 충전기나 소프트웨어적인 급속 충방전 처리를 하지 않는 것이 수명에 좋다. 하지만, 최근 스마트폰은 고속 충전기에 연결하면 80%까지는 빠르게 충전되지만 이후엔 충전속도가 느려지게 되어 있다. 즉 고속충전은 휴대폰 배터리에 무리를 주지 않는다.
주요 휴대폰 제조사의 배터리 용량
삼성전자
- 갤럭시S8 : 3000mAh(밀리암페어시) 배터리 탑재
- 갤럭시S20 : 4000mAh 탑재
애플
- 아이폰X(텐) : 2716mAh 배터리 탑재
- 아이폰11 프로 : 3046mAh 탑재
- 아이폰11 프로 맥스 : 3969mAh 탑재

아이폰11 배터리 사진, @ 구글 이미지

LG전자
- G6 : 3300mAh 배터리 탑재
- LG 벨벳 : 4300mAh 배터리 탑재하고 있다.
배터리 수명 늘리기에 대한 오해
배터리 수명을 늘리려고 냉장고나 냉동실에 넣어두면 안 된다. 리튬이온 배터리는 추위나 더위에 매우 취약하기 때문이다. 배터리를 0%까지 완전 방전시키면 용량이 늘어난다는 것은 사실상 실현하기 어렵다.
일부에서는 배터리를 완전히 방전시킨 후 완전 충전을 해야 좋다는 말이 있는데 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지에 해당된다는 점은 알고 있어야 겠다. 스마트폰에 탑재되는 리튬이온 배터리의 내구성은 통상 1000회 충전 가능하다.
하지만, 배터리는 분명히 자체 수명이라는 것이 있어, 통상 수명을 2~3년으로 보고 있다.
충전지 유형
충전지의 모양이나 용량에 의한 분류도 있습니다.
26650, 22650, 18650, 18350, 18490, 18500, 17670, 17500, 14500, 10440, 16340 (RCR123), AA, AAA, AAAA, C(Flat top only) 등이 이에 해당됩니다.

방전율로 보는 알카라인 건전지 vs 니켈수소 충전지 성능비교

방전율(배터리가 한 번에 방출할 수 있는 전류량을 나타냄)은 영어로 드레인(Drain=빼내다)이라 하며, 단위는 C(C-rate)로 표기합니다.

방전율이 낮은 제품은 한 번의 빠져나가는 전류량이 낮고 필요한 전압을 만드는데 많은 전류를 필요로 합니다.

방전율 1C는 제품이 요구하는 전력량(예: 기기 200mA, 배터리 200mAh) 이상의 용량이 남았을 경우에 기기가 작동합니다. 0.5C라면 제품이 요구하는 전력량에 2배가 있어야 작동할 수 있습니다. 2C는 요구 전력량에 반만 있어도 작동합니다.

예시

900mA의 전력량이 필요한 디지털 카메라에, 2800mAh 알카라인 건전지(0.5C)를 사용할 경우,
알카라인 건전지의 용량이 1800mAh 미만으로 떨어지면, 용량이 남아있어도 사용할 수 없게 됩니다.
이 건전지는 1800mAh 미만이 되면, 필요한 전력을 만들기 위한 전류량이 모자라 사용할 수 없습니다.

*알카라인 건전지의 최소 잔재용량 x 0.5 = 900mA

반면에 2800mAh의 니켈수소 충전지(3C)를 사용할 경우, 용량이 300mAh가 남을 때까지 사용할 수 있습니다.
300mAh로도 필요한 전력을 공급 가능하여 사용할 수 있습니다.

*니켈수소 충전지의 최소 잔재용량 x 3 = 900mA

용량측면에서는 1800mAh과 300mAh는 엄청난 차이입니다. 건전지로 디지털 카메라를 사용하면 금방 사용할 수 없게 되는 이유가 이해되었을 것입니다. 30mA 램프를 예를 든다면, 알카라인은 60mAh, 니켈수소 충전지는 10mAh의 용량까지 사용할 수 있습니다. 저전력소모 제품의 경우는 어떤 것을 사용해도 큰 차이가 없다는 결과를 알 수 있습니다.

팁 하나 더!
충전지는 있지만 건전지는 없는 것이 있습니다.

건전지에는 용량 표기가 되어 있지 않습니다. 용량으로 사용시간을 짐작할 수 없기 때문입니다. '힘도 강하면서 꾸준하게 유지해야지' 에서 알아본 전압 정보와도 연관됩니다. 용량은 남아있으나, 전압이 떨어져서 사용 못하는 경우가 있고, 이 정도가 사용되는 제품별로 차이가 크기 때문에 용량표기의 의미가 없어집니다.

그래서 제조사도 "오래가는 건전지" 강조하지만, 자사 시리즈 제품만 성능을 비교합니다.