탭리스 배터리에 대한 간단한 이해(What is tabless battery?)

탭리스 배터리란

 

말그대로 '탭이 없는' 배터리입니다.

 

기존의 리튬이온배터리는 원통/파우치/각 등...형태에 관계없이 양극과 음극사이의 전자이동을 위해 탭을 달고있습니다.

 

바로 원통형 배터리라 치면.. 어릴적 많이 봐왔듯, 양끝의 뽈록하게 튀어나온 부분이 바로 탭입니다.

 

양극과 음극을 저곳으로 집합시키는것입니다!

 

하지만, 이런 생각을해볼수 있습니다..

 

왜 탭을 굳이 만들어서 뺄까요??

 

탭이있는 쪽 면적 전체를 집전체로 활용하면 좋지않을까요??

 

깔때기

 

 

깔때기를 생각해보면, 아랫쪽방향으로 물을 몰아넣게되면, 물의 유속이 강해지고 큰 파워로 나가게 됩니다.

 

이것이 전자의 경우라면 아무래도 좁은곳으로 전자가 집중되다보니, 온도가 올라가게되고 계면에서의 bottleneck 현상도 발생합니다.

 

이런 부분을 해결하고자 양쪽 각 면 전체를 도체로 활용하게 된다면??

 

좁은 깔때기 모양이 아니라, 그냥 원통형 전체를 쓰게되면??

 

원통, 깔때기보다 아래쪽으로 물이 많이나갈 수 있다.

 

아무래도 통과(접촉)면적이 넓어지다보니, 전자가 넓은면적으로 수월하게 움직이게됩니다.

 

전자가 집중되지않아 온도가 올라가는 정도도 낮아지게될 뿐더러

 

bottleneck 현상도 줄어들어 계면저항도 낮아지게 되구요

 

이를 통해 전기차의 핵심 요소중 하나인 충전출력 확보를 통한 충전시간 단축을 할 수 있게 되는것입니다.

 

이것을 한번 그려봤는데.. 간단하게 그려보자면 아래와 같은 형태입니다.(발퀄이네요..ㅠㅠ)

 

 

 

왼쪽이 기존의 리튬배터리 형태이고 오른쪽은 탭리스배터리(Tabless battery)입니다.

 

그림이 정확하진 않지만, 대략 어느정도의 느낌인지는 충분히 나타낸것 같은데,

 

왼쪽의 탭 배터리는 양극,음극,분리막을 돌돌돌말아서 만든 형태로

 

수많은 양극과 음극면의 끝부분을 한곳으로 모아 탭으로 쭉 빼주는 형태다. (깔때기!!)

 

배터리셀을 CT촬영한것을 보면 이것을 직관적으로 확인할 수 있습니다.

 

이런식으로 되어있는 양극과 음극의 끝을 싹 끌어모아서 탭으로 쭉 빼주는 형태입니다.

 

이렇게하면 편리한점이, 양극과 음극의 길이가 (물론 엄청나게 작은 단위지만) 아주 균일할 필요는 없으며, 어느정도의

 

공정상 생길 수 있는 오차를 감안하더라도, 동작에 무리가 없다는 점입니다.

 

하지만, 단점은 양극과 음극의 전자가, 탭리스배터리라면 미끄럼틀을 타고 일자로 쭉 ~ 내려가면 되는데 (원통!!!)

 

탭이 있다면, 미끄럼틀을 타기위해 구불구불한 길을 지나야할 뿐아니라, 그 미끄럼틀도 탭리스배터리에 비해 폭이 아주 좁은 것이라는 것입니다.(깔때기!!)

 

 

*참고(리튬배터리 제조공정)

https://blog.naver.com/limitsinx/222001761537

 

 

이런 배터리 자체의 열적/출력적면에서의 성능향상도 있지만, 공정과정에서도 아주 이익을 얻습니다.

 

예를들면, 제가 생수병을 만드는 공장을 운영하고 있다고 가정해보죠

 

생수병에 생수병뚜껑을 끼우기 위해, 나선형으로 홈을파고 그에 딱 맞는 생수병뚜껑을 맞춰보고 규격이 맞지않으면 버리고, ,... etc 이런 일련의 과정들이

 

배터리 제조공정에서 사라지는것입니다.

 

즉, 기존에는 배터리 탭을 만들어서 연결하고 검증해야했는데, 탭리스배터리는 이런 공정과정자체가 사라지는것입니다.

 

배터리를 1개 2개만들때는 이것으로 얼마나 경제적이익을 얻을지 모르겠으나 수GWh~ 수TWh에 해당하는 셀을 만들때 개당 단 1원을 아끼는것만으로도 엄청나게 큰 돈을 아낄수있죠

 

(셀당 100원만아껴도 1억개의 셀이면 100억의 원가절감을 하는셈입니다..)

 

이론적으로는 완벽해보이는 기술(탭리스배터리)을 왜 현재까지 적용하지 못하고있을까요??

 

기술적 난제로인한 양산한계성 때문입니다.

 

① 높은 양산 정밀도 요구

 

양극/음극/분리막에 관한 공정자체 필요 정밀도가 아주 높아집니다. (위의 CT사진처럼 만들면 쇼트나겠죠)

 

즉, 기존에는 위의 셀 CT처럼 어느정도의 차이는 인정되는 반면, 테슬라가 발표한 탭리스배터리는 양극과 음극을 나선형으로 둘둘말아 모든부분이 최종적으로

 

양쪽 면적에 닿도록, 이것을 도체로 사용하는것이기에 높은 정밀도의 공정이 요구된다.

 

 

 

② 안정성 문제

 

원통형이 아니더라도 기존 파우치나 각형 셀 등.. 모든 셀의 문제는 내부쇼트가 날 수 있다는 것이다.

 

분리막이 찢어지든.. 어떠한 경우든 결국은 양극과 음극이 닿아 내부적으로 쇼트가 발생하고 이게 열폭주(Thermal runaway)까지도 갈 수 있다는 큰 문제점이 있습니다.

 

 

[*참고]

: 배터리 열폭주(Thermal runaway)에 대한 간단한 이해

https://blog.naver.com/limitsinx/222029974334

​

 

탭리스 배터리의 탭 면적부분이 양쪽으로 음극/양극을 나누어서 만들더라도 절대, 안정성을 강조하여 공간적으로 많이 띄워놓을 수 없습니다.

 

이게 무슨말이냐면, 한쪽이 음극/ 한쪽이 양극이라면

 

음극이 연결되는쪽의 양극은 절연이 충분히 되어 있어야 하고, 양극이 연결되는 탭쪽은 음극이 충분히 절연이 되어있어야합니다. (공간적으로든 화학적인 분리막을 통해서든..)

 

그런데 이 공간과 분리막에 여유분을 충분히 둔다면, 배터리셀의 에너지 효율과 공간 에너지밀도가 늘어날까요??

 

아닙니다. 이것을 최소화해야 비로소 탭리스배터리를 쓰는 의미가 생깁니다.

 

(이문제가 해결되지 않으면 탭을 쓰는거나 마찬가지아닌가..)

 

따라서 이부분을 아주 정밀하고 아주 안정적으로 셀을 설계하여 내부쇼트의 위험성이 없도록 만들어야 하기에 쉽지 않은 문제입니다.

 

결과적으로, 공정과정의 정밀성과 과연 이런 기술을 적용하여 뽑은 셀이 기업의 수지타산에 맞을것인가? 라는점이 난제라고 볼 수 있는 것입니다.