리튬 이온 배터리는 왜 충전할수록 성능이 떨어질까?

충전식 배터리는 전자를 다시 부어 넣는 단순한 통이 아닙니다. 리튬 이온 배터리에서는 충전과 방전 때 리튬 이온이 두 전극 사이를 오가고 전극 물질의 화학 상태가 바뀝니다. 이 왕복은 완벽하게 되돌아가지 않기 때문에 사용할수록 저장에 참여할 리튬과 활물질이 줄고, 전류가 흐르기 어려워지는 내부 저항은 커집니다.

처음 충전할 때 음극 표면에서는 전해질 일부가 분해되어 고체전해질계면막, 즉 SEI가 생깁니다. 이 막은 추가 분해를 억제하는 데 꼭 필요하지만 형성되고 수리될 때마다 리튬과 전해질 일부를 소비합니다. 시간이 지나 막이 두꺼워지면 이온이 통과해야 할 장벽도 커져 배터리가 낼 수 있는 출력과 충전 효율에 영향을 줄 수 있습니다.

전극 입자는 리튬을 받아들이고 내보내며 조금씩 팽창하고 수축합니다. 이 기계적 피로가 반복되면 입자 경계에 미세 균열이 생기고 전기적 연결이 끊길 수 있습니다. 아르곤 국립연구소가 소개한 NCA 양극 연구에서는 입자 사이 균열이 전도 경로를 줄이고 임피던스를 높여, 전극 일부의 충전 반응이 뒤처지는 주요 용량 저하 원인으로 관찰됐습니다.

충전 속도와 온도도 반응 경로를 바꿉니다. 매우 빠른 충전에서는 리튬이 흑연 입자 안으로 충분히 들어가지 못하고 표면에 금속 형태로 쌓이는 리튬 도금이 생길 수 있습니다. 미국 국립재생에너지연구소의 실시간 엑스선 연구는 빠른 충전에서 전극 깊이에 따라 충전이 불균일해지고 분리막 가까이에 도금이 집중될 수 있음을 보여 줬습니다. 추운 배터리는 이 위험에 더 취약합니다.

높은 온도는 원치 않는 부반응을 빠르게 하고, 일부 화학계에서는 높은 충전 상태로 오래 보관하는 것도 노화를 재촉합니다. 반대로 배터리 관리 시스템은 전압·전류·온도를 제한하고, 화면의 0퍼센트와 100퍼센트를 실제 화학적 한계 안쪽에 두어 손상을 늦춥니다. 사용자는 모든 노화를 막을 수 없지만 과도한 열을 피하고 제품 제조사의 충전 지침을 따름으로써 불필요한 부담을 줄일 수 있습니다.

모든 충전식 배터리가 같은 속도나 같은 방식으로 늙는 것은 아닙니다. 양극·음극 재료, 전해질, 셀 설계, 사용 시간, 온도, 충전 속도와 충방전 범위가 함께 수명을 결정합니다. 따라서 '몇 번 충전하면 끝난다'는 하나의 숫자보다는, 보호막 성장과 전극 균열, 전해질 분해, 사용 가능한 리튬의 손실이 조금씩 누적된 결과로 용량 저하를 이해하는 편이 정확합니다.