전극 탭 설계, 내부저항을 가르는 숨은 변수

무엇이 화제인가: 용량 스펙 뒤에 숨은 탭

전극 탭(tab)은 셀 내부에서 전류가 밖으로 빠져나가는 유일한 통로이며, 탭의 위치와 개수 하나로 셀의 내부저항과 발열 특성이 크게 갈린다. 고출력 셀일수록 탭 설계가 성능과 수명을 좌우하는 숨은 변수가 되고, 최근에는 탭을 여러 개 두는 멀티탭을 넘어 전극 끝단 전체를 집전 통로로 쓰는 “탭리스” 구조까지 특허로 다투는 영역이 됐다.

업계 상황부터 보자. 셀 스펙시트에는 용량(Ah)과 에너지 밀도가 앞에 나오지만, 탭 구조는 거의 드러나지 않는다. 그런데 전동공구나 고성능 전기차처럼 순간적으로 큰 전류를 쓰는 응용에서는 같은 화학종·같은 용량의 셀이라도 탭 설계에 따라 발열과 열화 속도가 달라질 수 있다. 셀이 커지고 전극이 길어질수록 이 차이는 더 커진다.

긴장 요인은 제조와 성능의 맞교환이다. 탭을 늘리면 저항은 줄지만 용접 포인트와 정렬 공정이 늘어난다. 이 글이 답할 질문은 세 가지다. 탭 위치·개수는 왜 저항을 바꾸는가. 실험·모델 연구는 그 차이를 어떻게 보여 주는가. 그리고 탭 설계는 특허 관점에서 어떤 권리 범위를 만들고 있는가.

기본 원리: 전류가 걸어가는 거리

전극은 얇은 금속 포일(집전체) 위에 활물질을 바른 긴 띠다. 활물질 곳곳에서 생긴 전류는 포일을 따라 흘러 탭으로 모이고, 탭을 거쳐 셀 밖으로 나간다. 포일의 저항은 전류가 흐르는 길이에 비례하므로, 탭에서 먼 지점의 전류일수록 더 긴 길을 지나며 더 많은 저항을 만난다.

비유하자면 탭은 “긴 복도형 건물의 출구”다. 출구가 복도 끝에 하나뿐이면(단일탭) 반대편 끝에 있는 사람은 복도 전체를 걸어야 하고, 출구 근처는 늘 붐빈다. 출구를 복도 중간중간에 여러 개 내면(멀티탭) 이동 거리가 짧아지고 혼잡도 분산된다. 복도 한쪽 벽 전체를 출구로 트면(탭리스) 이동 거리는 복도의 폭 수준으로 줄어든다. 대신 출구를 많이 낼수록 문을 다는 공사(용접)가 늘어난다.

발열은 이 저항에 전류의 제곱을 곱한 만큼 생긴다(줄 발열). 그래서 전류가 두 배가 되면 같은 저항에서 발열은 네 배가 된다. 고출력 응용에서 탭 저항이 무시할 수 없는 변수가 되는 이유가 여기에 있다. 또 전류가 탭 근처로 몰리면 셀 내부에 온도 차이(열 구배)가 생기고, 부위별로 열화 속도가 달라질 수 있다.

• 단일탭: 전극 끝에서 한 곳으로 집중, 구조 단순, 전류 경로가 길다
• 멀티탭: 여러 지점에서 분산 수집, 경로가 짧다, 용접·정렬 부담 증가
• 탭리스: 전극 끝단 전체를 집전에 사용, 경로가 가장 짧다, 별도 가공 공정 필요

비교: 단일탭과 멀티탭, 그리고 연구가 보여 준 차이

아래 첫 번째 표는 원문 비교표를 보존한 것이다. 두 번째 표는 공개 학술 연구가 탭 개수의 효과를 어떤 조건에서 확인했는지 정리했다.

구분	단일탭	멀티탭
전류 경로	전극 끝에서 한 곳으로 집중	여러 지점에서 분산 수집
내부저항	상대적으로 높음	경로가 짧아 낮음
제조 난이도	단순	탭 위치 정렬·용접 포인트 증가
셀 내부 온도 분포	탭 주변 집중 경향	분산 경향(열 구배 감소)

이 표가 말하는 것: 멀티탭은 저항과 열 분포에서 유리하지만 그 대가는 제조 공정에 있다. 탭 설계는 성능 문제이면서 동시에 공정 수율 문제다.

연구	대상 셀	조건	탭 관련 결과
Waldmann 외, Journal of Energy Storage 5(2016)	26650 원통형 고출력 셀(LiFePO₄ 양극/흑연 음극)	집전 탭 1~4개로 개조, 최대 10C(=25A) 방전	탭 개수에 따른 셀 내부 온도 구배와 전기화학 성능 차이를 운전 중 측정
Li 외, Journal of Power Sources 492(2021)	LG M50T 2170 원통형 셀(NMC811), 3D 전기-열 모델로 검증	젤리롤과 캔 바닥을 잇는 탭 수 변경, 측면·바닥 냉각 비교	탭 수 증가 시 셀 내부 열 구배 최대 25.41% 감소; 단일 냉각면 기준으로는 측면 냉각이 바닥 냉각보다 효과적

이 표가 말하는 것: 두 연구 모두 탭 개수를 바꾸는 것만으로 셀 내부 온도 분포가 달라진다는 점을 확인했고, 2021년 연구는 그 효과를 열 구배 최대 25.41% 감소로 정량화했다. 또 같은 연구에서 냉각 방식도 결과를 크게 바꿨다는 점은, 탭 설계를 셀 단독이 아니라 팩 냉각 구조와 함께 봐야 한다는 뜻이다.

여기서 이 글의 해석을 하나 덧붙인다. 탭 설계의 가치는 “저항 감소” 한 줄로 요약되기 쉽지만, 연구가 실제로 보여 준 것은 저항 그 자체보다 열의 균일성이다. 셀 내부 온도 차이가 줄면 부위별 열화 편차가 줄고, 이는 팩 수준의 수명 관리와 급속 충전 한계에 영향을 준다. 따라서 탭 구조는 셀 사양 검토에서 용량·저항 옆이 아니라 “냉각 설계 입력값”으로 다뤄야 할 변수다.

특허 관점: 탭을 없애는 구조의 권리 범위

청구항 요지: 탭 설계를 극단까지 밀어붙인 사례로 Tesla의 미국 등록특허 US11749842B2(Cell with a tabless electrode, 발명자 Kunio Tsuruta 외 2인)를 살펴본다. Google Patents 기준 우선일은 2018년 11월 5일, 출원일은 2019년 11월 4일, 공개번호는 US20200144676A1(2020년 5월 7일 공개), 등록일은 2023년 9월 5일이며 법적 상태는 유효(Active, 2039년 11월 4일 만료 예정)로 표시된다. 청구항 1은 요지상 (a) 한쪽 끝에 도전부를 둔 제1 기재와 제2 기재, 분리막을 중심축 둘레로 감은 셀, (b) 간격을 두고 배치된 도전부들이 감긴 상태에서 동심원 패턴을 이루는 구성, (c) 원통형 캔과 접촉면을 가진 캡, (d) 도전부들이 캡 표면에 접촉한 채 눌려 전기적으로 연결되는 구성을 청구한다.

출원 흐름: 이 특허는 PCT 출원 WO2020096973A1을 포함해 유럽·일본·한국·중국 등으로 패밀리가 이어졌고, 미국에서는 계속출원도 이어지고 있다. 같은 출원인은 별도로 US20230402722A1(Battery cell with a tabless electrode, 우선일 2020년 9월 21일, 출원 2021년 9월 17일, 2023년 12월 14일 공개, 심사 중)을 냈는데, 전극 끝단의 플래그(flag)를 잘라 접고 겹쳐 집전판과 용접할 접점을 만드는 고속 공정을 다룬다. 첫 특허가 “구조”를, 후속 출원이 “그 구조를 만드는 공정”을 겨냥하는 흐름으로 읽힌다.

회피 포인트: US11749842B2 청구항은 도전부가 동심원 패턴을 이루고 캡 표면에 눌려 접촉한다는 구체적 한정을 포함한다. 따라서 전극 끝단 전체를 쓰더라도 도전부를 별도 집전판에 용접해 연결하거나, 동심원이 아닌 다른 배열로 집전하는 구조는 문언상 구성요소를 결여할 가능성이 있다. 반대로 전통적인 멀티탭 구조는 이 특허의 권리 범위와 거리가 멀어 FTO(자유실시, 침해 여부 검토) 부담이 상대적으로 작을 가능성이 있다.

회피설계 시나리오(반론): 다만 “눌러서 접촉”을 “용접으로 접합”으로 바꾸는 식의 변경이 같은 기능(전극 끝단 전체의 저저항 집전)과 같은 효과를 낸다면 균등론 판단 대상이 될 수 있다. 또 구조를 피해도 공정 쪽 후속 출원이 등록되면 플래그 가공 방식에서 새로운 침해 소지가 생길 수 있다. 이 공정 출원은 게시일 기준 심사 중이므로, 최종 청구 범위는 등록 시점에 다시 확인해야 한다. 다른 셀 제조사의 멀티탭·탭리스 관련 유효 특허는 이 글의 범위에서 확인하지 못했다.

한계와 전망

낙관적 전망은 탭 수를 늘리거나 탭리스로 전환하면 내부저항과 열 구배가 줄어, 고출력·급속 충전 성능과 수명이 함께 좋아진다는 것이다. 그러나 반대 시나리오도 있다. 탭 구조를 복잡하게 할수록 용접·정렬·가공 공정의 불량 요인이 늘어나므로, 양산 수율이 떨어지면 저항 개선의 이득이 원가와 품질 편차로 상쇄될 가능성이 있다. 또 2021년 연구가 보여 주듯 냉각 방식에 따라 탭 개수의 효과가 달라지므로, 팩 냉각 설계가 받쳐 주지 않으면 셀 단위 개선이 시스템 성능으로 이어지지 않을 수 있다.

전략적 대안은 용도별로 탭 구조를 계층화하는 것이다. 고출력·급속 충전이 핵심인 제품은 멀티탭이나 탭리스를 우선 검토하고, 출력 요구가 낮은 제품은 단순한 구조로 수율과 원가를 지키는 방식이다. 탭 설계는 셀 용량 스펙 뒤에 잘 드러나지 않지만 내부저항과 발열을 좌우하는 핵심 변수이며, 용도의 출력 요구가 클수록 탭 구조를 먼저 확인할 필요가 있다.

탭 구조를 평가할 때 함께 볼 질문도 정리해 둔다. 첫째, 탭이 전극의 끝에 있는가 중간에 있는가. 같은 단일탭이라도 위치에 따라 가장 먼 지점까지의 거리가 달라진다. 둘째, 양극과 음극의 탭 구조가 같은가. 한쪽만 개선하면 다른 쪽이 병목이 될 수 있다. 셋째, 셀 제조사가 탭 구조 변경을 공정 변경으로 관리하는가. 탭 구조는 수율과 직결되므로, 공급 계약에서 변경 통지 대상에 포함되는지 확인할 가치가 있다.

실무 액션: 고출력 셀을 조달하거나 개발하는 기획·IP 담당자는 후보 셀의 탭 구조(단일/멀티/탭리스)와 집전 방식(가압 접촉/용접)을 사양서에 명시하도록 요청하고, 탭리스 계열이라면 US11749842B2 청구항 구성요소와의 대비표를 만들어 FTO 검토를 시작한다.

확인이 필요한 항목

• 단일탭 대비 멀티탭의 내부저항(mΩ) 감소 폭에 대한 동일 조건 실측 수치
• US11749842B2의 한국(KR) 패밀리 특허 등록 여부와 청구 범위 차이
• US20230402722A1의 심사 경과와 최종 청구 범위
• 국내 셀 제조사의 멀티탭·탭리스 관련 유효 특허 현황

출처

1. T. Waldmann, G. Geramifard, M. Wohlfahrt-Mehrens, Journal of Energy Storage 5 (2016) – Influence of current collecting tab design on thermal and electrochemical performance of cylindrical Lithium-ion cells during high current discharge
2. S. Li 외, Journal of Power Sources 492 (2021) – Optimal cell tab design and cooling strategy for cylindrical lithium-ion batteries
3. Google Patents, US11749842B2 – Cell with a tabless electrode
4. Google Patents, US20230402722A1 – Battery cell with a tabless electrode

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