신형 배터리가 탑재된 신형 모델 Y

테슬라는 최근 가동한 ‘기가 텍사스’ 공장에서 모델 Y를 생산하기 시작했다. 이 모델엔 4680이라는 신형 배터리가 들어갔는데, 테슬라의 비장의 무기로 평가받고 있다. 4680배터리가 그렇게 중요한걸까? 기존 배터리와 어떤 차이가 있는지 간단히 알아보자.

테슬라는 왜 원통형 배터리를 썼을까?

테슬라가 원통형 배터리에 집중한 이유는 ‘비용절감’ 때문이다. 원통형 배터리는 20년 넘게 생산된 믿을 수 있는 방식이다. 90년대 초 일본 소니에서 개발한 ‘18650 배터리’(지름 18mm – 높이 65mm – 원통형태)를 시작으로 폭넓게 사용되어 왔다.

이 방식은 구하기 쉽고, 무엇보다 안정성이 높다. 또, 대량 생산에 유리해서 제작 단가 역시 저렴하다. 그리고 작은 원통안에 배터리 소재를 둘둘 말아 넣는 방식이라 에너지 밀도도 높은 편이다.

테슬라의 경우 2008년 로드스터 모델부터 이 배터리를 탑재했다. 

하지만 단점이 있는데 배터리 모양이 원기둥이어서 배터리 팩을 만들면 버려지는 공간이 생긴다. 빈공간 만큼 배터리 적재 공간을 손해보기 때문에, 다른 방식에 비해 전체 에너지 밀도를 끌어올리기 어렵다. 그밖에 배터리 구조상 열이 많이 발생해 배터리 냉각에 좀 더 신경써야 한다는 문제도 있다.

그래도 생산 단가를 낮출 수 있다는 강점 덕분에 테슬라는 지금까지 원통형을 고집해오고 있다. 대신 원통형의 단점을 해결하기위해 배터리 사이즈를 키우는 방식을 연구하고 있다.

이 과정 속에서 1865 타입이 2170 배터리로 발전했고, 기가 텍사스 공장 가동 이후 4680 배터리가 생산되기 시작했다. 그런데, 배터리를 크게 만들면 왜 좋은 걸까?

테슬라가 갑자기 배터리를 크게만든 이유

한국자동차연구원에 따르면, 원통형 배터리를 크게 만들면 에너지당 제조 공정 횟수가 줄어든다고 한다. 즉, 대량 생산에 도움이 돼 생산 단가를 낮출수 있다는 의미다. 또, 사이즈가 커진만큼 담아둘 수 있는 에너지 역시 많아진다는 장점이 있따.

미국전기화학회지 논문에 따르면, 원통형 배터리 사이즈를 키우면 배터리 팩 하나를 채우는데 필요한 원통형 배터리 수가 줄어든다고 한다. 하나 당 부피가 크니 당연한 이야기다. 참고로 1865 보다 큰 2170 배터리를 탑재하면 배터리 팩을 채우는데 필요한 셀의 수가 33%만큼 감소하는 것으로 알려져 있다.

이 경우, BMS가 관리하는 배터리 역시 감소한다. 덕분에 배터리의 복잡성이 감소해, 비용 절감으로 이어진다.

테슬라는 이런 장점에 주목해, 기존에 생산하던 2170 배터리에서 4680으로 넘어가고 있다. 

테슬라의 비장의 무기 4680배터리

4680 배터리는 지름 46mm – 높이 80mm의 원통형 배터리다. 1865 타입과 비교하면 거의 2배 커졌다. 이 배터리는 2170 타입 보다 5배 가량 에너지를 저장할 수 있고, 출력은 6배나 강하다. 그리고 전기차에 탑재하면 주행거리는 16% 만큼 길다.

최대 511km 갈 수 있는 모델 Y에 이 배터리를 탑재하면 거의 600km 가까이 갈 수 있다는 계산이 나온다.

참고로 테슬라가 배터리 지름을 46mm로 지정한 것은 크기 대비 효율을 따졌을 때 46mm 이상은 큰 효과를 기대하기 어렵다고 판단했기 때문이다.

테슬라는 원가 절감을 위해 4680 배터리에 다양한 기술을 적용 중이다. 대표적으로 ‘탭리스’, ‘코발트 프리’, ‘실리콘 코팅 음극재’, ‘건식 전극’, ‘배터리 셀 통합’이 있다.

탭리스 기술은 간단히 말해 단자에서 전극으로 전류가 흐르는 통로인 ‘리드탭’을 없애고 면 전체를 도체로 활용하는 방식을 의미한다. 리드탭을 배터리에 붙이려면 용접 과정이 필요했는데 이 과정을 없애 비용을 줄이겠다는 것이다.

또, 배터리 용접 과정중 돌출부가 생길 수 있는데 양극 사이의 분리막을 손상시켜 화재를 발생시킬 위험이 있다. 탭리스 기술을 이용하면 이러한 점 역시 예방할 수 있다.

‘코발트 프리’는, 배터리 양극재 3대 요소인 니켈(N) 코발트(C) 망간(M) 중 코발트를 사용하지 않는 배터리를 의미한다. 코발트는 소재 가격이 비싸, 배터리 가격을 낮추려면 가장 먼저 해결해야 하는 과제로 남아있다. 아직 100% 구현은 어렵지만 알루미늄(A)을 첨가한 NCMA 등 몇 가지 대안이 제시되고 있는 상황이다.

이어서 ‘실리콘 코팅 음극재’는 배터리 수명을 늘리는 것과 관련이 있다. 배터리에서 음극은 충전속도와 수명을 결정한다. 오랫동안 음극 소재로 흑연을 사용해 왔는데, 용량의 한계로 실리콘이 주목받고 있다. 기존 대비 성능을 4배나 끌어올릴 수 있기 때문인데, 문제는 시간이 지나면서 코팅이 점점 벗겨지는 한계가 있었다. 테슬라는 실리콘 코팅 기술을 활용해 이런 문제를 해결하는 중이다.

‘건식 전극’의 경우 배터리 양극재를 만들 때 건조 과정을 제외한 방식이다. 소재를 녹여 집전체에 바르고 말리는 과정을 거치는 ‘습식’ 방식은 오래 걸린다는 단점이 있다. 때문에 양극재를 녹이지 않고 가루 자체로 집전체에 붙이는 ‘건식 전극’을 도입하겠다는 것이다.

마지막으로 ‘배터리 셀 통합’은 배터리 부분을 차의 뼈대와 배터리 두 가지 역할을 동시에 하도록 만든다는 것이다. 4680 배터리는 다른 배터리에 비해 튼튼하기에 가능한 일이다.

이를 ‘스트럭쳐럴 배터리’라 부르는데, 배터리 팩에 들어가던 안전 부품들이 제외되는 만큼 배터리를 더 담을 수 있고 승차감 개선에도 도움을 준다.

원가절감의 신 테슬라

테슬라는 4680 배터리를 비롯해 다양한 기술로 전기차 주행거리는 54% 정도 늘리고, 배터리 팩 비용은 56% 감소하는 것을 목표로 하고 있다. 이런 기술들이 모두 완성되면 이론상 2만 5천 달러 수준의 전기차를 만들 수 있게 된다. 물론 이 계획은 모델3와 모델Y가 너무 잘 팔리는 바람에 테슬라가 무기한 연장하긴 했지만 원가절감으로 내연기관차 만큼 저렴한 전기차를 만들 기술은 이미 있는 상황인 것이다.

즉, 우리돈으로 3천 안팎의 보급형 전기차를 만들 수 있게 되는데, 만약 보조금을 받으면 2천만원 중후반에 구매할 수 있다는 계산이 나온다. 어디까지나 예상이지만 전기차 경쟁에 있어 가격은 가장 강력한 변수로 작용할 것이다.

테슬라는 4680에 머물지 않고 계속해서 배터리 개선에 열을 올리고 있다. 과연 기술혁신을 통해 보다 저렴하고 강력한 배터리를 만들어낼 수 있을지 좀 더 지켜볼 필요가 있겠다.

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