오늘은 얼마 전 배터리 데이에서 발표된 테슬라의 장기 비전에 대해 알아보고자 합니다.
테슬라는 이번 배터리 데이를 통해 1) 기존 대비 주행거리는 54% 증가시키고, 2) kWh당 생산 원가를 56%, 3) 설비 투자 금액을 69% 절감시킬 수 있을 것이라고 전망하였습니다.
그렇다면 일론 머스크가 밝힌 구체적인 적용 기술에 대해 알아보겠습니다.
1) 셀 디자인 - 기존 2170 대비 볼륨이 3배 이상 증가한 4680 배터리를 공개하였습니다.
동 배터리는 기존 배터리셀 대비 에너지양은 5배, 출력은 6배 증가하여 이 배터리를 사용할 경우, 주행거리를 16% 증가시킬 수 있습니다.
배터리 셀 대형화는 열관리 문제점을 발생시키므로 이를 해결하기 위해 탭 리스(Tabless) 제조 기술을 활용하였습니다.
(탭 리스 배터리는 전자의 이동통로인 탭을 제거하고 면을 전도체로 활용하는 기술로서, 탭에 몰리는 전자의 과부하를 막고 이동 거리를 줄여 저항을 낮춤으로써 열을 제거하는 기술)
2) 생산 공정 - 건식 전극 코팅 기술을 활용해 제조비용, 시간, 투자비용을 절감할 계획이며 양극재와 음극재는 물이나 용매에 녹인 슬러리 상태에서 기판 위에 장착되고 건조 공정을 거쳐서 완료됩니다.맥스웰의 건식 전극 공정은 파우더 필름 기판 위에 올리기 때문에 불필요한 수분이나 건조 공정이 생략되게 됩니다.습식 공정을 건식 공정으로 전환할 경우, 필요한 공간이나 에너지 소모량이 10분의 1 수준으로 줄어들게 됩니다.탭 웰딩(Welding) 공정과 건식 전극 공정, 하이바 시스템의 고속 공정 시스템을 활용하면 최대 7배까지 생산 속도를 가속화할 수 있을 것으로 제시하였습니다.테슬라는 신기술 적용으로 최종적으로 투입 비용은 75% 줄이고, 제조 공정에 필요한 공간을 10분의 1 수준으로 줄여 현재 150Gwh를 생산할 수 있는 공간에서 1 Twh가 제조 가능할 것이라고 전망하였습니다.
<테슬라의 차세대 배터리 플랜 ; 주행거리 54% 증가, 생산 비용 56% 절감, 투자 비용 69% 절감>
3) 음극재 - 테슬라는 새로운 음극재로 비가공 상태의 실리콘(Raw Silicon)을 활용하겠다고 밝혔습니다.
현재 음극재는 천연흑연 혹은 인조흑연이 사용되고 있으며 가공 공정을 거친 실리콘( Engineered sillicon)을 적용하려는 시도들이 있습니다.
실리콘의 가장 큰 문제점은 충전 시 최대 4배까지 팽창한다는 점 인데, 테슬라는 실리콘의 팽창을 감안한 셀 디자인을 통해 문제를 해결하겠다고 밝혔습니다.
4) 양극재 - 테슬라는 양극재 소비를 북미 시장에서 직접 조달할 계획이라고 밝혔습니다.
현재 텍사스 지역 내에서 리튬을 채굴할 수 있도록 허가를 받은 상태며 테라와트(Terra-watt) 규모의 소요량을 감당할 수 있는 사이트를 확보해 놓은 상태라고 공개하였습니다.테슬라는 양극재 소재를 단일화 하기 보다는 목적에 따라 3 가지로 나누어 적용할 계획이라고 밝히기도 했습니다.긴 배터리 수명이 필요한 경우는 철을 기반으로 한 LEP, 롱 레인지 버전은 코발트를 포함한 배터리, 사이버 트럭/세미(Semi) 등 대용량/퍼포먼스 차량은 코발트 없이 하이 니켈(니켈 2/3, 망간 1/3) 양극재를 적용할 계획이라고 밝혔습니다. 또한, 폐 배터리를 100% 재활용해 사용하겠다고 밝혔습니다.
5) 차량 구조 - 싱글 피스 캐스팅을 통해 차량 파츠 숫자를 획기적으로 줄이겠다고 밝혔습니다.이를 위해, 특수한 알루미늄 합금을 자체적으로 개발하였다고 발표했으며, 배터리는 에너지 장치로써 뿐만 아니라 차량 구조물의 역할을 하게 될 것이라고 밝혔습니다.배터리 팩에는 배터리 뿐만 아니라 각종 장치들이 같이 들어가게 될 것이며, 테슬라는 이런 장치들을 제거하고 접착제를 통해 배터리를 부착할 계획이라고 합니다.일종의 셀투팩(Cell to Pack) 제조 공법으로 판단됩니다. (용어를 직접 사용하지는 않았음.)안전을 위해 배터리팩은 강한 구조물로 보호할 계획이라고도 밝혔습니다.
결론
테슬라의 배터리 비용 절감 기술의 상당 부분은 배터리 자체가 아닌 차량 설계에서 나온 것이라고 봐도 무방합니다.기존 배터리는 2차전지 업체의 단일 제품으로 설계되어 왔습니다.(배터리 자체적으로 열관리, 안전 성능을 모두 해결할 수 있게 설계된 것.)테슬라는 배터리 자체 기능을 최소화하고 BMS(Battery Management System)와 외부 열관리 시스템을 통해서 문제를 해결했기 때문에 배터리 제조 공정과 폼 팩터를 변화시킬 수 있었던 것입니다.2차 전지 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 판단됩니다.
