LG에너지솔루션은 2024년 8월 오창에서 4680 파일럿 양산을 시작했고, 삼성SDI도 46시리즈(지름 46mm) 배터리 양산에 나서며 원통형 대형화 경쟁이 본격화됐다. 4680은 기존 2170 대비 부피가 5.5배 늘어난 만큼 에너지밀도는 높아지지만, 셀 하나가 커질수록 내부에서 발생한 열이 바깥으로 빠져나가는 경로가 길어져 방열 문제가 커진다. 탭리스 전극 구조로 저항을 낮춘 이후, 다음 특허 경쟁은 열관리 쪽으로 옮겨가는 양상이다.
기본 원리
원통형 셀은 부피 대비 표면적 비율이 각형·파우치형보다 작아 구조적으로 방열에 불리하다. 셀이 커질수록(2170→4680) 이 비율은 더 나빠진다. 방열 특허는 크게 ①셀과 셀 사이에 냉각 매체가 흐르는 채널을 만드는 모듈 단위 접근 ②열폭주 발생 시 인접 셀로 전이되는 것을 막는 셀 단위 접근으로 나뉜다.
특허 관점
WO2017043889A1(냉각 성능이 개선된 배터리 모듈)의 핵심 청구항은 판상체 형태의 쿨링 플레이트에 미리 정해진 위치마다 슬릿을 두고, 그 위에 배터리 셀들을 나란히 세워 배치하며, 셀과 접하는 벽면과 일체로 형성된 하단 플랜지가 쿨링 플레이트의 슬릿을 통과해 하면에 접촉하는 ‘쿨링 핀’ 구조다. 냉각판과 셀 사이에 별도 부재(쿨링 핀)를 끼워 넣어 접촉 면적을 늘리는 방식으로, 원통형 셀이 늘어선 모듈에서 셀 하나하나까지 냉각 경로를 확보하려는 설계다.
업계 보고서에 따르면 이 시기 전후로 LG에너지솔루션은 배터리 열폭주 방지 기술 관련 특허를 별도로 축적해왔고, Tesla 진영의 후속 특허 역시 건식전극 접착 부동태막 조성물처럼 소재 쪽에서 안전성을 보강하는 방향으로 확장되고 있다. 즉 4680 관련 특허는 초기의 ‘탭리스 전극 구조'(전류 경로 단축)에서 ‘모듈 냉각 구조'(열 배출), 그리고 다시 ‘소재 자체의 열 안정성’으로 겹겹이 확장되는 3단 구조를 이루고 있다.
한계와 전망
셀이 커질수록 못 관통 시험 같은 안전 규격을 통과시키기 위한 트리거 방식 설계도 까다로워진다는 지적이 업계 보고서에서 나온다. 원통형 대형화 경쟁이 이어지는 한, 방열 특허는 냉각판 설계 수준을 넘어 셀 내부 열전도 경로 자체를 재설계하는 방향(예: 축 방향 방열 통로)으로 확장될 가능성이 높다.
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