테슬라는 2020년 9월 배터리 데이 행사를 개최했습니다.
배터리 데이 당시 테슬라가 제시한 목표는 2가지입니다.
1. 운송수단의 100% 전동화
2. 저렴한 전기 자동차 생산
2020년 배터리 데이 당시 네바다 기가팩토리는 연간 150 GWh 정도를 생산하고 있었고 운송수단의 100% 전동화를 위해서는 약 10 TWh가 필요하다고 했습니다.
당시 배터리 기술로 20 TWh를 생산하기 위해서는 기가팩토리 135개를 더 지어야 했는데 이렇게 되면 시간과 비용이 너무 많이 들기 때문에, 테슬라는 더 효율적인 배터리 셀 생산 시스템을 제시했는데요.
바로 배터리 공정 자체를 더 효율적으로 만들어 시간과 비용을 줄이는 전략입니다. KWh 당 배터리 비용을 56%까지 낮추게 되면 전기차 제조 비용의 40%를 차지하는 배터리 비용을 절감할 수 있게 되고 배터리 비용을 절감하게 되면 더 저렴한 전기차를 만들 수 있기 때문입니다.
배터리 데이 때 테슬라는 이러한 새로운 시도를 통해 2022년까지 약 $25,000 (약 3,000만 원) 수준의 전기차를 출시하겠다는 목표를 제시했는데요. 과연 테슬라가 올해 제시한 목표를 달성할 수 있을지? 지켜봐야겠습니다.
그렇다면 테슬라가 제시한 배터리 원가 절감 방법을 간단히 살펴보겠습니다. 테슬라는 5가지 방법을 통해 KWh 당 배터리 비용을 56%까지 낮추겠다고 발표했습니다.
첫 번째, 배터리 셀 디자인 변경입니다.
테슬라는 초기 전기차 생산 시 1865 배터리에서 2170으로 변경하여 50% 의 에너지 효율을 높일 수 있었습니다. 이것 또한 큰 혁신이었으나, 더 큰 배터리 효율을 내기 위해 배터리 셀 디자인 자체를 변경했는데요. 바로 4680 배터리입니다. 지름이 46mm, 높이가 80mm인 원통형 배터리 셀을 의미합니다.
배터리 셀 디자인 변경으로 제조 공정을 단순화했고, 필요 부품 감소를 통해 2170 배터리에 비해 5배 많은 에너지 용량과 6배 높은 출력을 낼 수 있고 주행거리도 최대 16%가 늘어난다고 합니다. 이는 현재 모델Y 롱 레인지 기준으로 511km에서 약 600km까지 주행거리가 늘어난다고 볼 수 있습니다.
두 번째, 셀 팩토리 공정 효율화입니다.
테슬라 데이 때 배터리 제조 공정 효율화를 위해 제지 공장과 유리병 제조 공장에서 많은 영감을 얻었다고 언급했습니다. 기존 전극 공정은 비효율적인 4단계 습식 공정으로 진행되는데 이는 매우 비효율적인 공정으로 테슬라가 인수한 맥스웰 테크놀로지의 건식 도포 공정으로 전환하게 된다면 동선과 에너지를 10배 가까이 줄일 수 있다고 합니다.
그리고 공정 설비를 다시 디자인해 1개의 조립 라인에서 20 GWh를 생산하며 기존 공정 대비 7배 이상의 아웃풋을 낼 수 있다고 설명했습니다. 전극 공정이 효율화되면 150 GWh로 계획된 기가 팩토리 보다 작은 공장인 테라 팩토리에서 1 TWh를 생산할 수 있게 됩니다.
투자 대비 비용이 확실히 감소하게 되며 이러한 계획을 통해 2030년까지 배터리를 3 TWh까지 생산할 계획이라 말했는데요. 이는 LG화학의 생산량인 100 GWh의 30배 정도 되는 생산량입니다.
세 번째와 네 번째는
음극재, 양극재 원료의 효율화입니다.
테슬라는 음극재로 지구 상 가장 풍부한 자원 중 하나인 실리콘 원재료에 탄성 이온 폴리머 코팅을 통해 표면을 안정화시켜 대량 공정을 통한 원가를 절감하고 주행 거리를 향상할 수 있다고 말합니다.
그리고 양극재 생산 공정 간소화를 통해 66%의 투자 비용 절감 및 76%의 공정 비용을 절감하고, 배터리 재료 공급망 확보를 위한 리튬 광산 인수 및 배터리 재활용을 통한 효율화도 추진하고 있다고 말했습니다.
마지막으로 차량 구조의 효율화입니다.
일론 머스크는 테슬라에서 독자적인 신소재 합금을 개발하여 고강도 합금을 제작했고 이를 앞쪽 차체와 뒤쪽 차체를 하나의 덩어리로 만든 후 배터리에 연결하는 새로운 전기차 구조를 만드는 데 사용할 것이라고 합니다.
그리고 비행기가 연료를 화물처럼 싣고 다녔던 것을 연료 탱크를 날개 모양으로 만들어 공간 효율화했던 방법을 전기차에 적용하여 효율적인 공간 활용을 만들어 낼 수 있다고 말합니다. 이렇게 되면 배터리가 없던 공간에 배터리를 추가할 수 있고, 배터리팩 자체가 구조물이 되어 더 효율적인 공간을 활용할 수 있게 됩니다.
이러한 구조 덕에 무게 중심이 중앙으로 몰리면 측면 충돌 시 배터리에 가해질 충격을 완화할 수 있고, 운전 성능 역시 좋아지게 됩니다. 이러한 새로운 구조를 통해 바디 부피는 10% 감소되고, 주행거리는 14% 증가하게 되며, 370개의 부품을 감소할 수 있게 됩니다. 앞에서 소개한 5가지 방법을 이용하면 테슬라는 배터리 생산 시 비용을 약 56% 줄일 수 있게 됩니다.
그렇다면 이러한 혁신적인 4680 배터리와
새로운 구조가 적용된 테슬라 차량은 언제 출시하는 걸까?
독일 기가팩토리에서 4680 배터리가 장착된 모델Y가 출시한다는 소식이 있었으나 현재 독일 기가팩토리는 환경오염을 우려한 지역 시민사회의 건설 반대로 인해 최종 승인이 지연되고 있습니다.
테슬라가 공개한 중대형 원통형 배터리 `4680셀`의 모습. (테슬라 제공)
테슬라가 올해 양산을 앞둔 중대형 원통형 배터리(4680 배터리)가 전기차·배터리 시장의 ‘게임 체인저’가 될 것이라는 전망이 나왔다.
한국자동차연구원(이하 한자연)은 3월 7일 산업동향 보고서를 내고 테슬라가 집중하는 4680 배터리가 전기차·배터리 업계 판도를 뒤바꿔놓을 것이라고 내다봤다. 한자연은 “테슬라가 2020년 공개한 중대형 원통형 배터리는 2022년 양산을 앞두고 있으며, 대량 생산에 성공할 경우 전기차 배터리의 생산성과 원가 경쟁력을 개선할 수 있다”고 분석했다.
테슬라의 4680 배터리는 지름 46㎜, 높이 80㎜인 원통형 배터리를 뜻한다. 테슬라가 기존에 자사 차량에 적용했던 2170 배터리(지름 21㎜, 높이 70㎜)보다 에너지 밀도는 5배, 출력은 6배 각각 높였고 주행 거리는 16%를 늘렸다. 또한 기존 배터리보다 단면적이 크기 때문에 배터리의 에너지당 공정 횟수가 줄고 생산 비용은 줄어든다. 아울러 전기 저항 감소 기술을 도입해 단전지 크기 확대에 따른 충전 시간 증가 문제를 상쇄함으로써 충전 시간을 증가시키지 않고 단전지 용량만 늘렸다.
한자연에 따르면 테슬라는 지난해 4분기 실적 발표를 하면서 올해 중으로 4680 배터리를 탑재한 모델Y 차량을 양산할 것이라고 선언했다. 현재 테슬라는 일본 배터리 업체 파나소닉과 협력해 4680 배터리 양산성 개선을 위한 테스트를 진행 중이다. 업계에 따르면 파나소닉은 일본 서부 와카야마에 전기차용 4680 배터리 생산 공장 2개를 짓겠다고 밝혔다.
테슬라가 4680 배터리를 개발한 핵심 의도는 생산성 개선을 통한 배터리 원가 절감 효과라고 한자연은 전했다. 현재 전기차 생산원가 전체의 40%에 달하는 배터리 기술을 내재화해 원가를 절감하고, 중대형 배터리 개발로 배터리 생산성을 높일 것이라는 설명이다.
한편 테슬라의 4680 배터리 양산 소식에 배터리 업계가 그 이후를 대비해야 한다는 분석도 나왔다. 현재 중대형 각형·파우치형 배터리에 집중하고 있는 배터리 업체들이 테슬라가 제시한 중대형 원통형 배터리에 상응하는 고속 공정에 집중할 것인지, 테슬라를 따라 중대형 원통형 배터리를 개발할 것인지 선택해야 한다고 한자연은 설명했다. 삼성SDI와 LG에너지솔루션 등 국내 배터리 업체들은 테슬라를 비롯한 완성차 업체의 중대형 원통형 배터리 수주에 대비한 연구개발과 제품 양산을 준비 중이다.
완성차 업계에도 중대형 원통형 배터리 등장으로 지각 변동이 발생할 조짐이 보인다. 기존 중대형 각형·파우치형을 사용하던 완성차 업체들은 원가 절감이 된 중대형 원통형 배터리를 탑재한 전기차와의 가격 경쟁에서 난항을 겪을 가능성이 있기 때문이다. 한자연 측은 “4680 배터리는 전기차 배터리에 기술 혁신의 여지가 있음을 시사하며, 4680 배터리 출시 이후 전기차·배터리 업계는 배터리 생산원가에 보다 집중할 가능성이 있다”고 말했다.
[신은빈 인턴기자]
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