배터리데이 내용 요약
테슬라는 배터리 데이를 통해 기존 대비 주행거리는 54% 증가시키고 kWh 당 생산 원가를 56%, 설비 투자 금액을 69% 절감시킬 수 있을 것으로 전망하였음. 구체적인 적용 기술은 다음과 같음. 초기 파일럿 프로그램은 10GWh 규모로 1년에서 18 개월 정도의 시간이 필요하며 양산 시점은 2~3년 후가 될 것
1) 셀 디자인: 기존 2170 대비 볼륨이 3 배 이상 증가한 4680 배터리를 공개함. 동배터리는 기존 배터리셀 대비 에너지량은 5 배, 출력은 6 배 증가해 이 배터리를 채용할 경우, 주행거리를 16% 증가시킬 수 있음. 배터리셀 대형화는 열관리 문제점을 발생시킴. 이를 해결하기 위해 탭리스(Tabless) 제조 기술을 활용함. 탭리스 배터리는 전자의 이동통로인 탭을 제거하고 면을 전도체로 활용하는 기술. 탭에 몰리는 전자의 과부하를 막고 이동 거리를 줄여 저항을 낮춤으로써 열을 제어하는 것. 단, 탭자체에도 열관리 목적이 있음. 배터리 내부는 분리막 등 플라스틱 수지로 인해 발열이 되지 않기 때문에 외부의 탭을 통해 발열을 시키는 것. BMS, 팩 단위의 열관리 시스템이 역할을 분담하는 구조로 추정됨. 배터리를 단독 제품이 아니라 차량 시스 템의 일부로 설계함으로써 혁신적인 구조를 만들 수 있었던 것으로 판단됨
2) 생산 공정: 건식 전극 코팅 기술을 활용해 제조비용과 시간, 투자비용을 절감할 계획. 양극재와 음극재는 물이나 용매에 녹인 슬러리 상태에서 기판 위에 장착되고 건조 공정을 통해 거쳐 완료됨. 맥스웰의 건식 전극 공정은 파우더 필름에 기판 위에 올리기 때문에 불필요한 수분이나 건조 공정이 생략되게 됨. 습식 공정을 건식 공정을 전환할 경우, 필요한 공간과 에너지 소모량이 1/10 수준으로 줄어들게 됨. 탭 웰딩 (welding) 공정과 건식 전극 공정, 하이바 시스템의 고속 공정 시스템을 활용하면 최대 7 배까지 생산 속도를 가속화 할 수 있을 것으로 제시하였음. 테슬라는 신기술 적용으로 최종적으로 투입 비용은 75% 줄이고, 제조 공정에 필요한 공간을 1/10 수준 으로 줄여 현재 150GWh 를 생산할 수 있는 공간에서 1TWh 가 제조 가능할 것이라고 전망하였음
3) 음극재: 테슬라는 새로운 음극재로 비가공 상태의 실리콘(Raw Silicon)을 활용하겠다고 밝힘. 현재 음극재는 천연흑연 혹은 인조흑연이 사용되고 있으며 가공 공정을 거친 실리콘(engineered silicon)을 적용하려는 시도들이 있음. 실리콘의 가장 큰 문제점은 충전 시 최대 4 배까지 팽창한 다는 점임. 테슬라는 실리콘의 팽창을 감안 한 셀 디자인을 통해 문제를 해결하겠다고 밝혔음. 단, 어떤 구조로 문제를 해결할 수 있는지는 구체적으로 언급하지는 않았음. 실리콘 음극재를 활용함 으로써 주행거리는 20% 증가시키고 비용은 공정을 거친 실리콘 대비 매우 낮은 $1.2/kWh로 조달할 수 있을 것으로 추정하였음
4) 양극재: 테슬라는 양극재 소재를 북미 시장에서 직접 조달할 계획이라고 밝힘. 현재 텍사스 지역 내에서 리튬을 채굴할 수 있도록 허가를 받은 상태며 테라와트(Terra-watt) 규모의 소요량을 감당할 수 있는 사이트를 확보해 놓은 상태라고 공개함. 테슬라는 양극재 소재를 단일화 하기 보다는 목적에 따라 3 가지로 나눠서 적용할 계획이라고 밝힘. 긴 배터리 수명이 필요한 경우는 철을 기반으로 한 LFP, 롱 레인지 버전은 코발트를 포함한 배터리, 사이버트럭/세미(Semi) 등대용량/퍼포먼스 차량은 코발트 없이 하이 니켈(니켈 2/3, 망간 1/3) 양극재를 적용할 계획이라고 밝힘. 또한, 폐 배터리를 100% 재활용해 사용하겠다고 밝힘
5) 차량 구조: 싱글 피스 캐스팅을 통해 차량 파츠 숫자를 획기적으로 줄일 것. 이를 위해, 특수한 알루미늄 합금을 자체적으로 개발하였다고 밝힘. 배터리는 에너지 장치로써 뿐만 아니라 차량 구조물의 역할을 하게 될 것. 배터리팩에는 배터리뿐만 아니라 각종 장치들이 같이 들어가게 됨. 테슬라는 이런 장치들을 제거하고 접착제를 통해 배터리를 부착할 계획임. 일종의 셀투팩(Cell to Pack) 제조 공법으로 판단되나 용어를 직접 사용하지는 않았음. 안전을 위해 배터리팩은 강한 구조물로 보호할 계획임
자동차 산업 영향
테슬라의 배터리 비용 절감 기술의 상당 부분은 배터리 자체가 아닌 차량 설계에서 나온 것임. 기존 배터리는 2차전지 업체의 단일 제품으로 설계돼 왔음. 배터리 자체적으로 열관리, 안전 성능을 모두 해결할 수 있게 설계된 것테슬라는 배터리 자체 기능을 최소화하고 BMS(Battery Management System)와 외부 열관리 시스템을 통해서 문제를 해결했기 때문에 배터리 제조 공정과 폼 팩터를 변화 시킬 수 있었던 것. 2 차전지 기술 변화에 있어서 완성차 설계가 핵심적인 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미하기 때문에 완성차와 배터리 제조사 간 역학구조에서 완성차의 중요성이 높아질 수 있는 계기가 될 것으로 판단됨.
배터리의 효율성을 높힐 수 있는 차량 기술의 중요성이 높아질 전망. 결국, 마법 같은 신소재의 적용은 없었음. 배터리 소재 변화를 통한 퀀텀 점프는 과거에도 지속적으로 시도돼 왔지만 실제 적용이 쉽지 않다는 것을 이번에도 다시 한번 확인한 셈. 하지만, 현존 기술로도 경제성을 갖춘 테라와트 배터리 생산이 가능하고 그걸 가능하게 하는 요소는 열관리와 전장 부품, 차량 소재 변화 등이었음. 차세대 기술을 보유한 자동차 부품 밸류 체인의 중요성 부각될 것으로 전망됨
유진 이재일