셀 속으로, 탭 용접 이야기

전기차와 ESS 시장이 빠르게 성장하면서 배터리 셀의 안전성과 출력 성능에 대한 요구가 점점 까다로워지고 있는데요. 탭 용접은 바로 이런 흐름 속에서 셀 내부의 전류가 흐르는 길목을 만드는 공정으로 주목받고 있습니다. 용접 한 점의 품질이 셀 전체의 수명과 안전을 좌우하기 때문이죠.

👉 탭 용접(Tab Welding)이란?

탭 용접은 단어 그대로 '탭(Tab)'을 '용접(Welding)'하는 공정인데요. 여기서 탭이란 양극과 음극에서 전류를 외부로 빼내기 위한 금속 단자를 말합니다.

배터리 셀 내부를 들여다보면 양극(Cathode)과 음극(Anode)이 길게 감겨 있거나 쌓여 있습니다. 이 전극에서 모은 전기를 셀 외부로 흘려보내려면 다리 역할을 하는 부품이 필요한데요. 그 다리가 바로 탭입니다. 보통 양극은 알루미늄(Al), 음극은 구리(Cu) 또는 니켈 도금 구리를 사용합니다.

탭 용접 공정은 이 탭을 전극 무지부(전극 활물질이 코팅되지 않은 맨 금속 부분)에 붙이고 다시 셀의 외부 단자와 연결하는 작업입니다. 즉 전극 → 탭 → 셀 외부 단자로 이어지는 전류의 통로를 셀 내부에서 완성하는 단계라고 할 수 있습니다.

👉 탭 용접이 왜 중요할까요?

탭 용접은 단순히 금속 두 장을 붙이는 작업처럼 보이지만 셀 성능에 미치는 영향이 큽니다.

첫째, 저항 손실과 직결됩니다. 용접부의 접합이 불완전하면 그 지점에서 전기 저항이 커지는데요. 저항이 커지면 전류가 흐를 때 열이 발생하고 에너지 손실로 이어집니다.

둘째, 안전성 문제가 생길 수 있습니다. 용접부에 균열이 있거나 이물질이 끼면 발열·아크·단락의 원인이 됩니다. 특히 고출력으로 충방전이 일어나는 셀에서는 작은 결함도 큰 사고로 번질 수 있죠.

셋째, 수명에도 영향을 줍니다. 반복적인 충방전에 따른 팽창·수축과 외부 진동을 견디려면 셀 내부의 용접부가 기계적으로 튼튼해야 합니다.

👉 탭 용접의 주요 방식

탭 용접에는 여러 방식이 쓰이는데요. 대표적으로 세 가지가 있습니다.

초음파 용접 (Ultrasonic Welding): 고주파 진동을 이용해 금속 표면을 마찰시켜 접합하는 방식입니다. 열을 거의 가하지 않고 붙일 수 있어서 얇은 전극 호일을 여러 장 겹쳐 용접할 때 유리합니다. 알루미늄과 구리처럼 이종금속 접합에도 강점을 보입니다. 다만 두꺼운 소재나 단단한 소재에는 적합하지 않은 편이죠.

출처:LG Energy Solution

레이저 용접 (Laser Welding): 고에너지 레이저 빔을 좁은 영역에 집중시켜 금속을 녹여 붙이는 방식입니다. 속도가 빠르고 정밀도가 높습니다. 비접촉식이라 공구 마모가 없고 자동화에도 잘 맞습니다. 최근 각형·원통형 셀의 캡 어셈블리 용접에서 표준처럼 자리 잡고 있는데요. 장비 가격이 비싸고 표면 청정도에 민감하다는 점은 부담입니다.

  출처:LG Energy Solution  

저항 용접 (Resistance Welding): 두 전극 사이에 강한 전류를 흘려 발생하는 저항열로 금속을 녹여 붙이는 방식입니다. 장비 구조가 단순하고 비용이 낮아 오래 사용되어 온 방법입니다. 다만 두께가 얇거나 전도도가 매우 높은 알루미늄·구리에는 정밀 제어가 어려운 편입니다.

  출처:LG Energy Solution  

👉 셀 형태별 탭 용접 위치

배터리 셀은 형태에 따라 탭이 들어가는 위치와 용접 방식이 조금씩 다른데요.

파우치형(Pouch): 전극 무지부를 모아 한쪽 또는 양쪽 끝에서 알루미늄·니켈 탭과 초음파 용접으로 접합합니다. 그 후 셀 외부로 빠져나오는 탭에 절연 필름을 붙여 파우치 외장재와 함께 실링하죠.

각형(Prismatic): 전극 무지부를 모은 뒤 캡 어셈블리(Cap Assembly) 내부의 집전판과 레이저 용접으로 연결합니다. 최근에는 고용량을 위해 무지부 면 전체를 한 번에 용접하는 풀 탭리스(Full Tab-less) 구조도 적용되고 있습니다.

원통형(Cylindrical): 전통적으로 양극과 음극에 각각 한 개씩 탭을 붙여 캔과 캡에 용접하는 구조였는데요. 최근 4680 셀에서는 무지부 전체를 집전판에 직접 용접하는 탭리스(Tab-less) 구조가 등장하면서 내부 저항을 크게 낮추고 있습니다.

👉 품질을 좌우하는 요소

탭 용접 품질은 여러 변수의 조합으로 결정됩니다. 용접 출력과 시간 그리고 가압력은 가장 기본적인 인자인데요. 출력이 너무 강하면 호일이 뚫리고 너무 약하면 접합이 불완전해집니다.

소재 표면의 청정도도 중요합니다. 산화막이나 이물질이 있으면 용접 강도가 떨어지고 저항이 커지죠. 그래서 용접 직전 표면 처리와 위치 정렬 정밀도가 셀 양산 라인에서 핵심 관리 항목으로 다뤄집니다. 최근에는 비전 검사와 인장 시험을 인라인으로 결합해 용접부 품질을 100% 검사하는 흐름으로 가고 있습니다.

마무리하며 탭 용접 공정은 배터리 셀 안에서 전류가 드나드는 통로를 완성하는 핵심 조립 기술입니다. 용접 한 점의 품질이 셀의 저항·발열·수명·안전성에 모두 영향을 미치기 때문에 작지만 까다로운 공정이라고 할 수 있는데요. 고용량·고출력 셀로 시장이 이동하면서 탭리스 구조와 레이저 용접의 비중이 빠르게 커지고 있습니다. 다음 편에서는 각 용접 방식의 원리와 장단점을 좀 더 깊이 들여다보겠습니다.