파우치 셀은 왜 유독 부풀어 보이나 — 스웰링의 구조적 이유

무엇이 화제인가: 파우치만 부푸는 것이 아니라 파우치만 ‘보이는’ 것이다

파우치 셀의 스웰링(swelling, 충방전·노화 과정에서 셀이 부풀어 오르는 현상)은 파우치만의 소재 결함이 아니라, 모든 리튬이온 셀에서 일어나는 부피 변화와 가스 발생을 억제할 단단한 외장이 없어서 겉으로 드러나는 현상이다. 각형·원통형은 같은 힘을 금속 캔이 안에서 버티고 있을 뿐이다. 이 글은 이 차이를 공개 연구와 특허로 풀어 본다.

업계 상황부터 보면, 파우치 셀은 각형·원통형보다 가볍고 공간 활용이 좋아 전기차와 IT 기기에 폭넓게 쓰인다. 그러나 딱딱한 외장이 없다는 것이 그대로 약점이 된다. 충방전을 반복하면 파우치가 부풀어 오르는 스웰링 문제다. 소비자 눈에는 ‘부푼 배터리’가 곧 ‘위험한 배터리’로 보이기 쉬워, 파우치 폼팩터 전체에 대한 불신으로 번지기도 한다.

긴장 요인은 스웰링의 원인이 하나가 아니라는 점이다. 되돌아오는 팽창과 되돌아오지 않는 팽창이 섞여 있고, 대응 수단도 셀·팩·소재 층위에 흩어져 있다. 이 글이 답할 질문은 세 가지다. 파우치는 왜 눈에 띄게 부푸는가, 폼팩터별로 같은 현상이 어떻게 다르게 나타나는가, 그리고 가스 대응 기술의 권리는 어떤 구성으로 청구돼 있는가이다.

기본 원리: 숨 쉬는 전극과 새어 나오는 가스

충방전 중 전극 소재의 부피가 미세하게 변하고, 부반응으로 가스가 발생하기도 한다. 각형·원통형은 단단한 캔이 이 변화를 억눌러 겉보기에는 티가 안 나지만, 파우치는 억제할 구조가 없어 부풀음이 외부로 그대로 나타난다. 2025년 9월 28일 학술지 Batteries에 실린 리뷰 논문(Maddipatla 외)은 스웰링을 두 갈래로 나눈다.

Fig. 1. 스웰링을 가역적 팽창과 비가역적 팽창으로 나누고, 파우치와 캔형 셀에서 각각 어떻게 드러나는지 정리한 개념도.
자료: Maddipatla et al., Batteries 11(10), 356(2025)을 바탕으로 편집부가 재구성

가역적 팽창: 리튬이 전극 격자에 들어가고 나오며(삽입·탈리) 생기는 팽창으로, 방전하면 거의 원래 치수로 돌아온다. 리뷰에 따르면 흑연은 완전 리튬화 상태(LiC₆)에서 격자가 약 10% 팽창하는 것으로 측정됐지만, 전극 단위에서는 공극과 바인더가 일부를 흡수해 약 3~4%로 제한된다.
비가역적 팽창: 가스 발생과 계면층 성장처럼 시간이 지날수록 누적되는 팽창이다. 셀은 원래 크기로 돌아오지 않고 계속 부푼다.

비유하자면 전극은 숨 쉬는 폐와 같고, 가스는 몸 안에 쌓이는 공기주머니와 같다. 숨을 쉬며 가슴이 오르내리는 것은 정상이지만, 빠지지 않는 공기주머니가 커지는 것은 이상 신호다. 파우치는 얇은 옷만 입은 몸이라 두 움직임이 모두 겉으로 보이고, 캔형 셀은 단단한 갑옷을 입어 같은 움직임이 안에서 압력으로 바뀐다.

이 차이는 제조 공정에도 반영된다. 리뷰 논문은 파우치 셀에서는 초기 충전(화성) 중 생긴 여분의 가스를 최종 밀봉 전 탈기(degassing) 공정으로 제거하는 반면, 원통형·각형은 탈기 공정을 거치지 않아 내부 압력이 높아진 밀폐 시스템이 된다고 설명한다. 실리콘 음극은 완전 리튬화 시 최대 300%까지 팽창할 수 있어, 상용 음극에서는 실리콘 함량을 5~15%로 제한하고 기계적 구속을 함께 쓴다는 점도 짚는다.

비교: 폼팩터별 외장과 부풀음 대응

원문의 폼팩터 비교표를 유지하고, 리뷰 논문의 공정·수치 정보를 한 열 더했다.

폼팩터	외장	부풀음 대응	화성 가스 처리
각형	단단한 금속 캔	내부 압력을 캔이 물리적으로 억제	탈기 공정 없이 밀폐, 내부 압력 상승
원통형	단단한 금속 캔	동일	탈기 공정 없이 밀폐, 내부 압력 상승
파우치	연성 알루미늄 라미네이트 필름	억제력이 약해 부피 변화가 그대로 드러남	최종 밀봉 전 탈기로 여분 가스 제거

Fig. 2. 폼팩터별 외장 구조와 부풀음·화성 가스 대응 비교
자료: 원문 비교표와 Maddipatla et al., Batteries 11(10), 356(2025)을 바탕으로 편집부 정리

이 표가 말하는 것: 세 폼팩터 모두 같은 팽창과 가스를 겪지만, 캔형은 이를 내부 압력으로 가두고 파우치는 탈기 공정과 외부 구속으로 다룬다. 흑연 전극 기준 가역 팽창은 약 3~4%(격자 약 10%) 수준으로 보고됐다.

여기서 한 가지를 구분해 둘 필요가 있다. 탈기 공정이 제거하는 것은 화성 단계에서 한 번에 생기는 초기 가스다. 사용 중 서서히 쌓이는 가스는 이미 밀봉이 끝난 뒤 생기므로 탈기로 해결되지 않는다. 따라서 파우치 셀이 출고 시점에는 평평하더라도, 수명 후반부의 부풀음은 별도의 소재·구조 대책으로 관리해야 한다. 원문이 제시한 ‘가스 포켓’은 전자, ‘팩 고정 프레임’과 ‘전해질·분리막 최적화’는 주로 후자에 대응하는 수단으로 나눠 볼 수 있다.

통찰: 파우치의 ‘보이는 스웰링’은 약점이면서 동시에 진단 신호다. 캔형 셀에서는 가스와 팽창이 내부 압력으로만 쌓여 외부에서 알아차리기 어렵지만, 파우치는 두께 변화로 노화 상태를 드러낸다. 리뷰 논문이 스웰링을 진단 응용의 대상으로 다루는 것도 같은 맥락이다. 따라서 파우치를 쓰는 팩에서는 부풀음을 숨기는 것만이 목표가 아니라, 가역 팽창과 비가역 팽창을 구분해 읽어 내는 센싱 설계가 부가가치가 될 수 있다.

특허 관점: 가스를 ‘담는’ 기술과 ‘빼는’ 기술

파우치 스웰링 대응 기술은 크게 세 층위로 나뉜다.

가스 포켓(별도 여유 공간)을 설계해 화성 단계의 초기 가스를 모은 뒤 탈기 공정에서 제거
팩 조립 시 셀을 눌러 주는 고정 프레임으로 물리적 팽창 억제
전해질·분리막 조합 최적화로 가스 발생 자체를 줄이는 소재 접근

세 층위는 권리 지형도 다르다. 가스 포켓과 탈기는 제조 공정·설비 특허로, 고정 프레임은 팩 구조 특허로, 전해질·분리막은 조성 특허로 청구되는 경향이 있어, 하나의 스웰링 대책을 도입해도 검토해야 할 특허 분류가 서로 다르다. FTO(침해 여부 검토)를 셀 구조 특허만으로 끝내면 공정·조성 층위의 침해 소지를 놓칠 수 있다.

이 가운데 셀 사용 중 생기는 가스를 밖으로 빼내는 구조를 청구한 사례로 LG에너지솔루션의 US11177532B2를 Google Patents에서 확인했다.

서지 사항: US11177532B2(발명의 명칭 “Pouch-type secondary battery having gas discharge means”)는 원출원인 LG Chem Ltd, 현 권리자 LG Energy Solution Ltd이며, 우선일 2018년 4월 23일, 출원일 2019년 1월 24일, 등록일 2021년 11월 16일이다. Google Patents 기준 법적 상태는 Active, 예상 만료일은 2039년 1월 24일이다. 명세서는 충전 사이클, 과충전, 단락 시 이산화탄소·일산화탄소 같은 가스가 쌓여 생기는 스웰링과 폭발 위험을 해결 과제로 든다.

청구항 1 요지(재서술): 양극·음극·분리막으로 된 전극 조립체, 이를 감싸는 파우치 케이스, 케이스 가장자리에서 양극 리드와 음극 리드를 각각 감싸는 절연 필름 쌍, 그리고 절연 필름 쌍 사이에 끼워진 가스 배출 부재로 이루어진다. 가스 배출 부재는 속이 빈 가스 이동 통로를 가진 몸체, 통로 안의 스프링, 통로를 여닫는 볼로 구성되고, 몸체 외면의 요철 홈 채널은 안쪽을 향한 홈 부분이 절연 필름과 겹치지 않도록 배치돼 내부 가스가 유입될 수 있게 한다.

Fig. 3. LG에너지솔루션 특허 US11177532B2 청구항 1의 구성요소를 재서술하고 요소별 회피 가능성을 대응시킨 청구항 지도.
자료: US11177532B2 청구항 구성을 바탕으로 편집부가 재구성

이 청구항의 권리 범위는 ‘파우치에서 가스를 뺀다’는 기능이 아니라, 리드 절연 필름 사이에 끼운 스프링·볼 방식 체크 밸브와 홈 채널 배치라는 구체적 구조로 정해진다. 구성요소가 많고 구체적일수록 권리 범위는 좁아지고, 회피 설계의 여지는 넓어진다.

회피 포인트: 가스 배출 경로를 리드 절연 필름 사이가 아닌 실링부 다른 위치에 두거나, 스프링·볼 대신 파열판·선택 투과막 같은 다른 개폐 수단을 쓰는 설계는 청구항 1의 구성요소를 결여할 가능성이 있다. 셀 외부 팩 프레임으로 팽창을 억제하는 방식은 애초에 이 청구항과 다른 층위다.

회피설계 시나리오(반론): 개폐 수단만 바꾸고 리드 절연 필름 사이에 배출 부재를 끼우는 배치는 그대로 둔다면, 특허권자는 ‘압력에 따라 통로를 여닫는 수단’으로서 실질적으로 같은 기능·방식이라며 균등 침해를 주장할 여지가 있다. 반대로 파우치 가스 배출 밸브는 여러 업체가 오래 다뤄 온 주제여서, 권리자 입장에서도 선행기술 대비 권리 범위가 좁게 해석될 가능성이 있다. 실제 판단은 개별 설계와 선행문헌의 1:1 대조가 필요하다.

한계와 전망

파우치 셀의 스웰링은 소재 결함이 아니라 폼팩터 구조상 억제력이 없어서 드러나는 현상이다. 셀 설계만이 아니라 팩 레벨의 고정 구조로 함께 관리해야 하는 문제다. 리뷰 논문도 적절한 적층 압력이 국부적 리튬 석출과 팽창 불균일을 줄이고 노화를 고르게 만든다고 정리한다.

낙관적 전망은 팩 구속 설계와 가스 억제 첨가제가 성숙하면서 파우치의 경량·공간 이점이 스웰링 부담보다 커진다는 것이다. 반대 시나리오도 있다. 실리콘 함량을 높인 고에너지 음극이 확산되면 가역 팽창 폭 자체가 커져, 외장 구속력이 약한 파우치가 캔형보다 불리해지고 팩 구속 부품의 무게·부피가 파우치의 경량 이점을 상쇄할 가능성이 있다.

소비자 인식 측면의 과제도 남는다. 같은 가스와 팽창이 캔형 셀에서는 보이지 않고 파우치에서만 보이면, 실제 위험도와 무관하게 파우치가 더 위험하다는 인상이 굳어질 수 있다. 제품 설명과 서비스 기준에서 정상 범위의 가역 팽창과 교체가 필요한 비가역 팽창을 구분해 안내하지 않으면, 불필요한 교체 요청과 보증 비용이 늘어날 가능성이 있다.

전략적 대안은 스웰링을 ‘숨길 결함’이 아니라 ‘관리할 신호’로 다루는 것이다. 팩 구속 압력을 설계 변수로 명시하고, 셀 두께 변화를 가역·비가역 성분으로 나눠 추적하는 모니터링을 BMS에 넣으면 안전성 설명력과 잔존 수명 평가의 근거를 함께 확보할 수 있다. 이 센싱·판별 로직은 구조 중심의 기존 가스 배출 특허와 겹치지 않는 출원 영역이 될 가능성도 있다.

실무 액션: 파우치 셀 팩을 기획하는 담당자는 자사 가스 배출·구속 구조가 리드 절연 필름 사이 배출 부재를 쓰는지 먼저 확인하고, 해당하면 US11177532B2 청구항 1과 구성요소 대비표를 작성해 두는 것이 좋다.

확인이 필요한 항목

파우치 셀 스웰링 두께 증가율의 폼팩터·화학계별 정량 비교 데이터
US11177532B2의 한국·유럽 등 패밀리 권리 상태와 청구항 차이
전해질·분리막 조합별 사이클 중 가스 발생량 비교 자료
팩 구속 압력의 업계 표준 범위와 구속 부품의 무게·부피 부담

출처

Maddipatla S., Rauf H., Osterman M., Arshad N., Pecht M., Swelling Mechanisms, Diagnostic Applications, and Mitigation Strategies in Lithium-Ion Batteries, Batteries 11(10), 356 (2025-09-28)
Google Patents, US11177532B2 – Pouch-type secondary battery having gas discharge means (LG Energy Solution Ltd)

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