배터리 탭(Tab) 설계가 셀 성능과 수명에 미치는 영향

아래 사진을 바탕으로, 배터리의 작은 금속 부품인 탭(Tab)이 셀 내부의 전류 밀도, 발열, 고속 충전 특성, 그리고 노화(Degradation) 메커니즘에 어떤 영향을 미치는지 정리했습니다.

 

 

1. 탭 주변의 전류 집중 현상

일반적으로 탭은 단순한 입출력 전류 연결 단자로 인식되기 쉽지만, 실제 셀 내부에서는 전극 전체의 전류 밀도 지도(Current-density Map)를 형성합니다.

• 전류 밀도 편차: 탭 근처의 전류 밀도(3925 A/m^2)는 탭과 멀리 떨어진 반대쪽 끝(2138 A / m^2)보다 약 2배 가까이 높아집니다.
• 대형 셀에서의 문제 심화: 셀 크기가 커질수록 전자 이동 경로가 길어져 전기적 불균일성(Electrical Inhomogeneity)과 전류 밀도 경사가 더 심해집니다.

2. 탭 설계와 셀 노화 메커니즘

전류 밀도의 불균일성은 온도 및 리튬 농도의 경사를 만들어내며, 이는 연쇄적으로 전극의 불균일한 노화를 일으킵니다.

• 노화 연쇄 반응: 전류 밀도 편차 → 온도 편차 → 리튬 농도 편차 →  전극의 불균일한 이용 및 노화
• 온도에 따른 주요 노화 기전:
  • 25도  고속 충전 시: 탭 근처의 국소적 발열이 심해져 SEI 피막 성장(Side Reactions)과 리튬 손실이 주된 노화 원인이 됩니다.
  • -10도 저온 충전 시: 전류 밀도와 온도, 반응 속도의 상호작용으로 인해 리튬 덴드라이트 석출(Lithium Plating)이 노화를 주도합니다.

3. 전류 밀도를 개선하는 2가지 엔지니어링 솔루션

• 구배 전극 설계 (Graded Electrode Design):
  • 탭 근처의 저항을 국소적으로 조절하여 전류 밀도를 전극 전체에 평평하게(Flat) 분산시킵니다.
  • 리튬 덴드라이트 석출이 시작되는 C-rate 기준을 개선하여 고속 충전 한계를 끌어올립니다.
• 탭리스 아키텍처 (Tabless Architecture / Full-Edge Connection):
  • 단일 탭 대신 전극 단면 전체를 터미널과 연결하여 이동 경로를 극적으로 줄입니다. (예: 4680 셀 기준 전기적 경로를  3.5 m에서 75 mm로 감소)
  • 오믹 저항과 줄열(Joule Heating) 발열을 크게 줄이고 균일한 집전을 구현합니다.

4. '탭리스(Tabless)'라고 부르는 이유

이름만 들으면 탭(Tab)이 '아예 없다(Less)'는 뜻처럼 보이지만, 실제로는 '기존 형태의 튀어나온 독립된 탭을 없애고 전극 전체를 탭으로 만들었다'는 의미입니다.

  1) 기존 배터리의 '탭(Tab)'

기존 원통형 배터리는 긴 전극 띠 중간이나 끝에 작은 금속 조각(탭)을 별도로 용접해 붙였습니다. 이 작고 좁은 탭 하나로 셀 전체의 전류가 몰려서 들어가고 나갔습니다.

  2) '탭리스(Tabless)'의 진짜 구조

독립된 탭 조각을 덧붙이지 않는 대신, 감겨 있는 전극 띠의 한쪽 테두리(Edge) 자체를 깃발 모양처럼 촘촘하게 가공하여 전극 전체를 통째로 탭으로 사용합니다.

• 기존 방식: 전극 띠 + 별도의 금속 탭 1~2개 용접
• 탭리스 방식: 별도의 탭 없음 $\rightarrow$ 전극 테두리 전체가 하나의 거대한 탭 역할

즉, 돌출된 전용 탭 부품을 덧붙이는 전통적인 방식에서 벗어났기 때문에 '탭이 없다(Tab-less)'라는 이름이 붙었습니다. 기술적으로는 탭을 없앴다기보다 '탭을 무수히 많게 늘려 전극 전체로 확장했다(Full-edge Connection)'고 이해하는 것이 가장 정확합니다.

 

배터리 탭은 단순히 전류를 모으는 역할을 넘어 전류가 흐르는 길, 열이 발생하는 지점, 그리고 셀의 노화가 시작되는 위치를 결정하는 핵심 구조 요소입니다.

 

 

 

 

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