테슬라 4680 셀이 ‘탭리스 설계’로 주목받는 사이, 실제로 그 셀을 대량 공급해온 파나소닉은 훨씬 덜 화려하지만 훨씬 실질적인 문제를 특허로 풀고 있었다. 바로 원통형 셀 내부의 ‘접촉 저항 편차’다. 미국 등록특허 US12080916B2(파나소닉 에너지, 2019년 일본 출원 우선권, 2024년 등록)가 그 답이다.
무엇이 화제인가 — 젤리롤의 ‘숨은 저항’
원통형 리튬이온셀은 양극·음극·분리막을 나선형으로 감아 만든 ‘젤리롤(jelly roll)’ 구조를 캔 안에 넣는다. 이때 음극 집전체(구리 호일) 표면 중 활물질을 코팅하지 않은 노출부가 젤리롤의 바깥 둘레를 이루며, 이 노출부가 금속 외장 캔 내벽에 직접 맞닿아 음극 단자 역할을 겸한다. 문제는 이 접촉이 항상 균일하지 않다는 점이다. 셀마다 내부저항 편차가 벌어지면, 배터리팩을 구성할 때 특정 셀에 전류가 몰리는 불균형이 생기고, 이는 수명 저하와 발열 편차로 이어진다.
기본 원리 — 흑연 입자가 ‘스스로 팽창해서 눌러붙는’ 설계
파나소닉의 해법은 음극 활물질로 쓰는 흑연 입자의 물성을 정밀 제어하는 것이다. 핵심은 두 가지 수치다. ①내부기공률(internal porosity) 5% 이하, ②파괴강도(breaking strength) 25~55 MPa. 이 두 조건을 동시에 만족하는 흑연 입자를 쓰면, 전극을 압연(press)할 때 입자가 쉽게 부서지지 않고 반발력(복원력)을 그대로 간직한다. 이 반발력은 젤리롤이 캔에 삽입된 뒤 음극이 살짝 더 팽창하도록 밀어붙이는 힘으로 작용해, 노출부와 캔 내벽 사이의 접촉을 스스로 더 단단하게 만든다. 반대로 기공이 많은 입자는 압연 시 반발력이 기공 속으로 흡수돼버려 이 효과가 사라진다.
비교 — 실시예 vs 비교예 저항 편차
| 구분 | 흑연 입자 조건 | 평균 내부저항 | 표준편차(균일성) |
|---|---|---|---|
| 실시예1(파괴강도 30MPa) | 기공률 5%, 강도 25~55MPa 충족 | 16.7mΩ | 0.24 — 가장 균일 |
| 실시예2(파괴강도 50MPa) | 기공률 5%, 강도 25~55MPa 충족 | 16.4mΩ | 0.61 |
| 비교예1(파괴강도 10MPa) | 강도 미달(범위 밖) | 18.8mΩ | 1.51 |
| 비교예4(기공률 15%) | 기공률 초과(범위 밖) | 20.3mΩ | 1.43 |
| 비교예6(기공률15%+강도60MPa) | 둘 다 범위 밖 | 19.2mΩ | 1.93 — 가장 불균일 |
특허 관점 — 청구항의 핵심
독립항(청구항 1)은 ①양극·음극을 분리막을 사이에 두고 나선형으로 감은 전극조립체, ②바닥 있는 원통형 외장 캔이라는 원통형 셀의 기본 구조를 전제로, ③음극 집전체 노출부가 외장 캔 내면과 접촉하고, ④음극 활물질이 ‘내부기공률 5% 이하이면서 파괴강도 25~55MPa인 흑연 입자’라는 조건을 결합 청구항으로 걸었다. 종속항(청구항 2)에서는 이 조건을 만족하는 흑연 입자가 음극 활물질 전체 질량의 15중량% 이상을 차지해야 한다는 하한선까지 명시했다. 물성치 두 개를 동시에 만족하는 좁은 창(window)을 청구항으로 묶었다는 점에서, 경쟁사가 이 범위를 살짝 비껴가는 방식으로 회피 설계를 시도할 여지는 남아 있다.
한계와 전망
이 특허 자체는 4680이라는 특정 폼팩터를 언급하지 않는다. 하지만 셀이 커질수록(2170→4680) 젤리롤 둘레 길이와 접촉 면적이 커지고, 그만큼 접촉 불균일에 따른 저항 편차 문제도 커진다. 탭리스 설계로 전류 경로를 단축하는 테슬라식 접근과, 접촉 자체의 물리적 안정성을 흑연 입자 설계로 확보하는 파나소닉식 접근은 서로 다른 층위에서 같은 문제(대형 원통형 셀의 저저항·저편차 확보)를 풀고 있는 셈이다. 두 특허를 나란히 놓고 보면, 4680 생태계가 셀 제조사별로 얼마나 다른 기술적 우회로를 택하고 있는지가 드러난다.