왜 항상 휴대전화 배터리는 빨리 소진될까요? 사용하기 충분한 배터리 상태를 유지하려면 어째서 여러번 충전해야 하는 수고가 필요할까요.
그동안 배터리를 연구하는 과학자와 공학자들은 빠르게 충전되고, 오래 지속되는 배터리에 대한 연구를 지속해왔습니다. 연구자들은 배터리의 '용량이 사라지는 것'이 주된 문제라고 이야기합니다. 이에 대해 아이오와주립대 재료공학과 Steve W. Martin 교수는 영원히 지속되는 배터리를 만들기 위해서는 "자연의 법칙 중 하나인 '열역학 제2법칙'을 넘어서야 한다"고 했는데요.
포텐셜이 사라진다
열역학 제2법칙이란 에너지의 전달에는 방향이 있으며, 자연에서 발생하는 모든 과정은 원래의 상태로 되돌아올 수 없는 비가역적인 과정(irreversible process)을 거친다는 법칙입니다. 본래 에너지는 자유롭게 형태를 변환시킬 수 있지만, 그 때마다 에너지가 가지고 있던 능력인 '포텐셜(potential)은' 사라진다는 설명인데요.
차가운 물과 뜨거운 물을 섞을 때를 떠올리시면 이해가 편합니다. 뜨거운 물과 차가운 물을 섞을 때 열은 뜨거운 물에서 차가운 물로 이동합니다. 하지만 그 반대 과정은 자연상태에서 일어나지 않습니다. 바로 이 현상이 열역학 제2법칙을 잘 설명해줍니다.
컵과 컵에 반복적으로 물을 주고 받으면?
Steve W. Martin 교수는 "배터리가 충전되거나 방전될 때마다 조금씩 에너지가 낭비된다"고 말합니다. 이때 배터리에서 낭비되는 배터리의 용량은 복구될 수 없다고 합니다. 아래 영상은 배터리가 충전되고 방전될 때마다 어떤 변화가 일어나는지 잘 보여주는 영상입니다.
영상처럼 배터리를 사용하고 충전하는 행위는 두 컵 사이에서 물을 옮기는 것과 이치가 같습니다. 처음 한두 번의 시도에서는 한 방울의 물도 떨어뜨리지 않을 수 있습니다. 하지만, 이후에는 각각의 컵에 작은 물방울이 남게 되고 어떻게 하더라도 컵에 남아있는 작은 물방울까지 모두 완벽하게 옮길 순 없습니다. 너무 작아 거의 눈에 띄지 않을 정도의 0.1 ml 작은 물방울이 빠져나간다고 해도, 만약 위 과정이 1만 번 발생하게 된다면 1L의 물이 빠져나가는 것과 같습니다.
교체 주기를 감안한다면 휴대전화 배터리의 경우 이러한 과정이 2~3년 동안 반복된다고 보면 되겠죠? 전기자동차의 경우 수 백~수 천번씩 위 과정을 반복하는 것과 마찬가지입니다.
때문에 배터리를 충전하기 위해서는 저장돼 있는 에너지보다 더 많은 에너지가 필요하다는 점도 가늠해볼 수 있습니다. 그래서 휴대전화를 오래 쓸수록 배터리가 더 빨리 닳게 되는 것으로 보이는데요. 실제로, 재충전된 배터리에서는 에너지가 더 적게 나옵니다. 저장된 에너지에 비해 낭비되는 에너지의 비율은 시간이 지나며 증가하기 때문이라고 합니다. 따라서 배터리를 많이 사용할수록 더 많은 에너지가 낭비되게 되고, 배터리가 죽는 지점에 더 빠르게 도달하게 되겠죠.
Steve W. Martin 교수는 "낭비되는 에너지를 줄이기 위해 충전과 방전의 순환 속도를 늦추는 방법에 대해 연구하고 있다"고 합니다. 하지만 "열역학 제2법칙에 의해 소실되는 에너지를 완전히 없애주지는 못할 것"이라고 덧붙였습니다.
##참고자료##
<The Conversation> 'Why does my phone battery die so fast?'
