전압을 셀 안에서 쌓는다 — 바이폴라 전극 구조의 원리와 도요타 인더스트리즈 US11735743B2

바이폴라 전극은 집전체 한 장의 앞면에 양극, 뒷면에 음극을 발라 여러 장을 쌓는 구조다. 셀 여러 개를 버스바로 잇던 직렬 연결을 셀 안으로 옮기면 무엇이 좋아지고, 그 대가로 어디가 어려워지는지 특허와 함께 정리한다.

① 무엇이 화제인가

바이폴라 구조의 기술 난제와 특허의 울타리는 모두 전극의 한가운데가 아니라 가장자리에 몰려 있다. 층과 층 사이의 밀봉이 조금만 새도, 셀 안에서 쌓아 올린 직렬 구조 자체가 무너지기 때문이다.

업계 상황부터 보자. 도요타는 2021년 7월 신형 아쿠아(Aqua)에 바이폴라 니켈수소 배터리를 탑재하면서, 이전 세대보다 출력이 약 2배 높다고 밝혔다[1]. 이 배터리 개발에는 지게차용 배터리를 오래 개발해 온 도요타 인더스트리즈(Toyota Industries)의 분석 기술이 기여했다고 한다[1]. 이어 도요타는 2023년 6월, 하이브리드 차량에 써 온 바이폴라 구조를 배터리 전기차(BEV)로 확장하겠다며 리튬인산철(LFP) 기반 보급형 바이폴라 배터리를 2026~2027년 목표로 개발 중이라고 발표했다[3].

긴장 요인은 구조의 단순함 뒤에 숨어 있다. 부품은 줄고 저항은 낮아지지만[2], 한 셀 안에 여러 개의 전압 단위가 쌓이는 만큼 단위 사이를 완벽히 격리해야 한다. 액체 전해액을 쓰는 한, 이 격리는 가장자리 밀봉(sealing)에 달려 있다.

그래서 이 글이 답하려는 질문은 이것이다. 바이폴라 전극은 어떤 원리로 전압을 셀 안에서 쌓으며, 특허는 그 구조의 어느 부분을 권리로 삼았는가.

② 기본 원리 — 단독주택 여러 채 대신, 바닥이 곧 아래층 천장인 아파트

일반적인 셀 구조를 모노폴라(monopolar)라고 부른다. 집전체(전류를 모으는 금속박) 한 장의 양면에 같은 극, 예컨대 양면 모두 양극을 바르고, 셀 안에서는 같은 극끼리 병렬로 모은다. 전압을 높이려면 이렇게 만든 셀 여러 개를 셀 밖에서 버스바(bus bar)로 직렬 연결한다. 단독주택 여러 채를 골목길(버스바)로 잇는 모습이다.

바이폴라(bipolar)는 다르다. 집전체 한 장의 한쪽 면에는 양극을, 반대쪽 면에는 음극을 바른다[1][2]. 이런 ‘바이폴라 전극’을 분리막과 전해질을 사이에 두고 여러 장 쌓으면, 한 전극의 음극과 다음 전극의 양극이 마주 보며 하나의 전압 단위를 이룬다. 집전체가 앞 단위의 끝이자 다음 단위의 시작이 되므로 전류는 집전체를 두께 방향으로 곧장 통과한다. 아파트에서 한 층의 바닥이 곧 아래층의 천장이 되는 것과 같다. 골목길이 사라지니 부품이 줄고, 전류가 넓은 면을 통해 짧은 거리를 흐르니 내부 저항도 낮아진다[2].

문제는 ‘층간 누수’다. 각 층(전압 단위)의 전해액은 반드시 그 층 안에 갇혀 있어야 한다. 전해액이 가장자리로 새어 이웃 층과 이어지면 이온이 층을 건너뛰는 통로가 생기고, 이는 직렬로 쌓은 전압을 안에서부터 갉아먹는 단락 경로가 될 수 있다. 도요타 계열의 관련 특허 US11552359B2도 적층된 모듈 사이로 알칼리 전해액이 번져 단락을 일으키는 문제를 막기 위해 밀봉 부재를 두는 구성을 다룬다[6]. 결국 바이폴라 셀의 설계는 전극 가장자리를 어떻게 막고, 쌓은 층을 어떻게 틀어짐 없이 고정하느냐의 문제로 모인다.

③ 비교 — 모노폴라와 바이폴라, 수치로 확인된 차이

항목	기존 니켈수소 배터리(이전 세대 아쿠아)	바이폴라 니켈수소 배터리(신형 아쿠아)
전극 구조	셀 단위로 구성해 외부에서 연결	집전체 한쪽 면에 양극, 반대쪽 면에 음극을 붙인 바이폴라 전극을 적층[1]
셀당 출력	기준	약 1.5배[1]
같은 크기 공간에 담는 셀 수	기준	약 1.4배[1]
배터리 출력	기준	약 2배[1]
부품 수·크기	상대적으로 많고 큼	집전체 등 부품이 줄어 소형화 가능[1][2]
내부 저항	상대적으로 높음	전기 경로가 넓고 구조가 단순해 낮음[2]

이 표가 말하는 것: 출력 약 2배는 셀당 출력 약 1.5배와 같은 공간의 셀 수 약 1.4배를 곱한 값(약 2.1배)에 가깝다[1]. 바이폴라의 이득은 화학 조성의 개선보다 ‘같은 공간에 더 많은 직렬 단위를 넣고, 그 사이 저항을 줄인’ 구조에서 나온다는 뜻이다.

도요타가 2023년 제시한 BEV용 목표도 같은 방향이다. 보급형 바이폴라 LFP 배터리는 당시 bZ4X 대비 항속거리 20% 증가, 비용 40% 절감, 급속충전 30분 이하(SOC 10~80%)를, 고성능 바이폴라 배터리는 항속거리 10% 증가, 비용 10% 절감, 급속충전 20분 이하를 목표로 제시했다[3]. 다만 이는 개발 목표로 발표된 값이며 양산 실적은 아니다.

④ 특허 관점 — 가장자리 수지 틀을 ‘용착’으로 잇는 좁고 긴 청구항

바이폴라 전극 가장자리 구조를 다룬 예로 도요타 인더스트리즈(Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki)의 미국 등록특허 US11735743B2(발명의 명칭: Power storage device and power storage device production method)를 보자. 발명자는 오쿠다 신야(Shinya Okuda)·엔도 사토시(Satoshi Endo), 우선일은 2016-10-17, 출원일(PCT 국제출원일)은 2017-09-21, 등록일은 2023-08-22다. 현 권리자는 Toyota Industries Corp이며, Google Patents 기준 법적 상태는 Active(예상 만료일 2039-03-23, 존속기간 조정 548일 반영), 등록 청구항은 6개다[4].

원문을 옮기지 않고 청구항 1을 구성요소 단위로 재서술하면 다음과 같다.

청구항 1의 구성요소(재서술)	권리 범위상의 의미
(a) 적층된 복수의 바이폴라 전극 — 각 전극은 집전체 한 면에 양극층, 반대 면에 음극층	바이폴라 구조 전제 — 모노폴라 셀은 대상 밖
(b) 집전체 외주부 일부에 설치된 제1 수지 부재	전극마다 두르는 가장자리 틀
(c) 제1 수지 부재 위에 설치되어 외주부를 지지하는 제2 수지 부재	적층체 전체를 감싸는 바깥 틀
(d) 적층 방향 양 끝의 제1·제2 플레이트, 각각 관통 볼트용 관통공 보유(관통공은 제2 수지 부재 바깥에 위치)	체결 방식 한정 — 볼트 관통 구조
(e) 이웃한 전극의 제1 수지 부재끼리 같은 재질의 용착부로 연결 — 제1 수지 부재끼리 겹쳐 맞닿은 채 용착	가장자리 틀을 ‘같은 재질로 녹여 붙인다’는 한정 — 권리의 핵심이자 회피 판단의 분기점
(f) 용착부는 제1 수지 부재의 바깥 측면에 있고, 적층 방향 한쪽 끝 전극부터 다른 쪽 끝 전극까지 연속	용착부의 위치·연속성 한정
(g) 제2 수지 부재가 제1 수지 부재의 바깥 측면을 덮고, 용착부는 제1 수지 부재의 끝면과 제2 수지 부재 사이에 위치	이중 틀의 배치 관계 한정
(h) 제1 수지 부재 끝면에 용착부가 있는 영역과 없는 영역이 공존	부분 용착 한정

명세서 요약에 따르면 이 발명의 목적은 적층체 주위에 수지를 사출해 바깥 틀을 만들 때 바이폴라 전극들이 밀려 위치가 틀어지는 것을 막는 데 있다[4]. 전극마다 두른 수지 틀을 먼저 서로 녹여 붙여 한 덩어리로 만든 뒤 바깥 틀을 씌우는 방식이다.

권리 범위는 상당히 좁다. 청구항 1 하나에 (a)~(h)의 한정이 모두 들어 있어, 문언 침해가 성립하려면 이 조건을 빠짐없이 충족해야 한다. 회피 설계 시나리오로는 ⓐ 용착 대신 접착제나 압착 개스킷(gasket)으로 가장자리를 밀봉하는 방향, ⓑ 용착부를 적층 전체에 연속하지 않고 구간별로 나누는 방향, ⓒ 관통 볼트 대신 밴드나 외함으로 적층체를 구속하는 방향이 검토 대상이 될 수 있다. 반론도 있다. 좁은 청구항 한 건을 피했다고 FTO(침해 여부)가 끝나지는 않는다. 같은 권리자 계열에는 모듈 사이 밀봉 부재를 다룬 US11552359B2[6], 적층 모듈 표면의 물방울을 흘려보내는 돌출 부재를 다룬 US11916183B2[7]처럼 바이폴라 적층체 주변을 여러 각도에서 다룬 등록특허가 존재한다. 촘촘한 좁은 특허 여러 건이 모이면 넓은 특허 한 건보다 회피가 더 어려울 가능성이 있다.

유사 특허 크로스체크: 닛산자동차의 EP1930977A1(우선일 2006-12-08, EP1930977B1로 등록)은 바이폴라 전극 외주의 밀봉재와 조립 중 내부 가스를 빼내는 배기부를 다룬다[5]. 바이폴라 구조의 ‘가장자리 밀봉’이 적어도 2000년대 중반부터 여러 기업의 권리 대상이었다는 점을 보여 준다.

⑤ 한계와 전망

낙관적으로 보면, 니켈수소 배터리에서 양산 검증을 마친 바이폴라 구조가 LFP 기반 BEV 배터리로 옮겨 가면 부품 절감과 저항 감소의 이점을 비용 절감으로 연결할 수 있다. 도요타가 제시한 비용 40% 절감 목표[3]가 그 기대를 보여 준다.

반대 시나리오도 있다. 셀 안에서 직렬로 쌓은 구조는 한 층의 결함을 셀 밖에서 우회할 방법이 없다. 모노폴라 팩에서는 불량 셀 하나를 골라 교체하거나 병렬 구성으로 영향을 줄일 수 있지만, 바이폴라 셀에서는 한 층의 밀봉 열화나 미세 누설이 셀 전체의 전압과 수명에 영향을 줄 가능성이 있다. 층 수가 많아질수록, 그리고 사용 기간이 길어질수록 이 위험은 커질 수 있다. 니켈수소에서의 성공이 액체 유기 전해액을 쓰는 리튬이온 계열에서도 그대로 재현된다는 보장은 없다.

전략적 대안은 밀봉 방식을 초기부터 ‘특허 지도 위에서’ 고르는 것이다. 용착, 접착, 압착 개스킷, 사출 일체 성형 가운데 무엇을 쓰느냐가 성능과 FTO를 동시에 결정한다. 또한 액체가 새어 나갈 걱정이 적은 고체전해질과 바이폴라 구조의 결합이 꾸준히 거론되는 것도, 가장자리 밀봉 부담을 재료 쪽에서 덜려는 시도로 이해할 수 있다.

확인할 액션(기획·IP 담당자): 바이폴라 셀을 개발하거나 도입할 계획이라면, 가장자리 밀봉 방식을 확정하기 전에 도요타 인더스트리즈·도요타자동차 명의의 미국 등록특허 가운데 수지 틀·밀봉 부재·용착을 다룬 독립항을 목록으로 만들고, 자사 후보 구조를 US11735743B2 청구항 1의 (a)~(h)와 한 줄씩 대조할 것.

확인이 필요한 항목

• 도요타가 2023년 제시한 BEV용 바이폴라 배터리 목표치의 양산 달성 여부와 실제 적용 차종은 확인하지 않았다. 고성능 바이폴라 배터리 목표치의 비교 기준(어떤 배터리 대비인지)도 원문에서 명확히 확인하지 못했다.
• US11735743B2의 일본·중국 등 대응 패밀리 구성과 각국 청구항 범위는 이 글에서 확인하지 않았다.
• US11552359B2·US11916183B2는 Google Patents 요약만 확인했으며, 청구항 전문은 대조하지 않았다.
• EP1930977B1의 현재 유효 여부(Google Patents 표시상 예상 만료일 2027-12-04)와 각국 유지 상태는 별도 확인이 필요하다.

출처

1. Toyota Global Newsroom, 「Toyota to Launch All-New Aqua」, 2021-07-19. 링크
2. Toyota Industries Corporation, 배터리 제품 소개(Batteries). 링크
3. Toyota Global Newsroom, 「Electrified Technologies – Batteries, Fundamental technologies to innovate BEV」, 2023-06-13. 링크
4. Google Patents, US11735743B2 「Power storage device and power storage device production method」 서지사항 및 청구항(2026-09-23 원문 확인). 링크
5. Google Patents, EP1930977A1 「Bipolar Battery and Method of Manufacturing the Same」 서지사항(2026-09-23 확인). 링크
6. Google Patents, US11552359B2 「Power storage device」 서지사항·요약(2026-09-23 확인). 링크
7. Google Patents, US11916183B2 「Bipolar battery and power storage device」 서지사항·요약(2026-09-23 확인). 링크

이 글은 기술·특허 동향 해설이며 법률 자문이 아닙니다. 구체적인 FTO 판단은 전문가 검토가 필요합니다.