[테슬라 완전 분석] 4680 배터리, 테슬라의 차세대 배터리 표준

1. 테슬라 배터리데이 : 배터리 원가 56% 절감 로드맵

 

 

테슬라의 2020년 배터리데이 행사에서 핵심 키워드는 "원가 절감" 이었습니다.
전기차가 대중화되는 것을 넘어 기존 모빌리티 산업이 전기로 전환되고 지속 가능해지기 위해서는 현재의 전기차 가격을 획기적으로 낮춰야 합니다.

 

현 전기차 원가 구조와 테슬라 스탠다드 레인지 모델의 원가 구조 추정 및 전기차 제조 원가 추정 (출처 : 메리츠증권, 미래에셋증권 리서치센터)

이에 테슬라가 내세운 전기차 제조 원가 절감 방법은 크게 배터리 기술과 제조 공정 혁신을 통한 배터리 가격 인하, 전기차의 차체 구조 혁신을 통한 생산성 증가로 고정비 절감 등이 있습니다.

 

테슬라의 원가 절감 로드맵 (출처 : Tesla IR, 2020)

 

• 배터리 기술 혁신
  - 차세대 배터리 표준 4680셀 : 배터리 크기를 키워 단위 생산 비용을 감소시키고 탭을 없애 충전시간을 늘리면서  열배출 특성 개선, 출력밀도 증대
  
  - Cell-To-Vehicle (CTV), Cell-To-Chassis (CTS) : 기존 배터리의 셀-모듈-팩 구조에서 모듈을 생략해 공간 효율성을 높인 CTP (Cell-To-Pack)에서 한단계 더 나아가 차량 구조에 바로 Cell을 탑재하는 기술로 공간 효율성 극대화
  
  - 건식 전극 코팅 기술 : 기존 용매를 휘발시키는 공정을 생략해 공정 간소화, 생산성 향상 및 에너지밀도 개선
  
  - 제조 공정 최적화 : 각 제조 공정 최적화를 통한 생산성 향상과 투자비용 절감
• 차체 구조 혁신
  - 기가 캐스팅 : 기존 차량의 언더바디 조립 시, 수십 개의 금속 패널들을 용접하는 방식을 단일 알루미늄 바디로 제작해 제조 공정 단순화, 생산성 향상
  
  - 알루미늄 바디 사용 : 가벼운 알루미늄을 사용해 주행거리 개선, 단위 배터리 셀 탑재 용량 증대
  
  - 구조 배터리팩 사용 : 배터리 팩 자체를 차량의 구조로 사용해 전체 무게를 감소시키고 제조 공정 단순화

 

배터리 팩 및 배터리 셀의 원가 구조 (출처 : 하나금융투자)

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특히 배터리가 전기차 전체 원가 구조의 3~40%를 차지하기 때문에 배터리 가격을 낮추는 것이 핵심입니다.

배터리의 핵심 소재와 관련된 내용은 아래 포스팅 참고 부탁드립니다.

[2차 전지 소재] 양극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 양극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 음극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

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[2차 전지 소재] 분리막 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 분리막 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

 

테슬라는 배터리 원가를 2023년까지 56% 낮추고, 2022년까지 100GWh, 2030년까지 3TWh 규모의 생산 설비를 구축할 계획이라고 밝혔습니다.

 

테슬라의 배터리 원가 절감 로드맵 (출처 : 테슬라)

56%의 배터리 원가 절감 방법 로드맵은 아래와 같습니다.

• 셀 디자인 개선 : 14%
• 셀 공정 개선 : 18%
• 실리콘 음극재 개선 : 5%
• 양극재 및 공정 개선 : 12%
• 배터리 공정 통합 : 7%

 

배터리는 원가의 50% 이상이 재료비이기 때문에 단순 규모의 경제를 갖추거나 원자재 비용 자체를 줄이기 어렵습니다.
이에 대부분의 셀 메이커들은 배터리의 주요 구성 재료나 조성을 바꾸거나 셀 및 팩의 설계를 개선하고, 제조 공정을 개선하는 등의 방법으로 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해 노력해오고 있습니다.

이에 테슬라는 기존 사용하던 18650 배터리 (지름 18mm, 높이 65mm)에서 21700 배터리 (지름 21mm, 높이 70mm)로 변경하면서 에너지 용량을 약 50% 향상시켜왔습니다.

이번 배터리데이에서 발표한 4680 배터리 (지름 46mm, 높이 80mm)는 기존 21700 배터리 대비 에너지 용량을 약 5.5배 향상시켰고 출력은 6배, 주행거리는 16% 향상시켰다고 밝혔습니다.

테슬라는 이러한 원가 절감 로드맵을 통해 2025년까지 배터리 가격을 60$/kWh까지 낮춤과 동시에 배터리 기술 내재화 및 전기차 밸류체인의 수직계열화를 통해 타 완성차 업체 대비 가격경쟁 우위를 확보하려는 계획입니다.

따라서 향후 4680배터리의 양산과 기가 팩토리 증설, 차세대 전기차 플랫폼 적용 등의 행보가 전기차 배터리 시장의 게임체인저가 될 것으로 보고 있습니다.
더불어 국내 완성체 기업 및 배터리 셀 메이커들도 셀 성능 개선 뿐만 아니라 자동차의 전체적인 구조 관점에서 바라보는 것이 경쟁력 강화에 중요한 과제가 될 것 같습니다.

 

2. 4680 배터리

테슬라는 현재 원통형 배터리를 채택하여 사용하고 있으며, 최근 발표한 4680 배터리 또한 원통형 구조 입니다.

원통형 배터리는 구조상 에너지 밀도가 낮고 패키징 시에 못 쓰는 공간이 많습니다.
또한 셀의 크기가 커질 수록 배터리 팩의 공간효율이 떨어지고 각 전지를 연결하는 장착 비용이 들기 때문에 국내 셀 메이커 기업과 대부분의 완성차 업체들은 각형 또는 파우치형 배터리를 채택하고 있습니다.

 

배터리 셀 형태별 배터리팩과 원통형 배터리팩 내 불용공간

 

그러나 원통형 배터리는 원통 구조 특성상 안정적이고 폭발 가능성이 적으며 공정난이도가 낮아 제조 비용이 상대적으로 적게 든다는 장점 때문에 테슬라는 원통형 배터리를 채택하여 적용하고 있습니다.

 

배터리 형태별 종류 및 장단점, 채택 기업 (출처 : 자동차연구원, 포스코경영연구원)

 

4680 배터리는 테슬라의 새로운 표준 배터리로, 4680이라는 숫자는 지름이 46mm, 높이가 80mm라는 의미 입니다.
기존 대비 크기가 커지면서 부피가 약 25배 증가하였습니다.

 

테슬라 배터리의 세대별 특징 비교 (출처 : 테슬라, 포스코경영연구원)

 

배터리의 크기가 커질 수록 에너지 용량이 증가하고 단위 용량당 공정 시간이 단축되기 때문에 생산성이 향상됩니다. 또한 배터리 전극을 넣는 원통 캔 사용량이 줄어들며, 배터리 셀 갯수가 감소해 셀들을 연결해주는 와이어링 등의 소재 사용 또한 줄일 수 있습니다.
그러나 원통형 배터리는 크기가 커질수록 열 발생이 증가하고, 원통형의 구조 상 불용 공간이 늘어나기 때문에 다른 기업들이 크기를 키우지 못하고 있었습니다.

 

셀 지름 증가에 따른 셀 가격 감소폭 및 주행거리 증가 추이 (출처 : 테슬라)

 

4680 배터리는 배터리의 전극을 외부 단자와 연결 하는 탭을 제거하여 위 문제를 해결했습니다. (Tabless 배터리)

기존 원통형 구조에서 전극 탭은 음극과 양극 각 끝에 부착되어 있었기 때문에 전자의 이동 경로가 전극 길이만큼 길어지게 됩니다.
전자 이동 경로가 길어지면 전기 저항과 열 저항이 커지기 때문에 성능이 저하되고 열이 많이 발생해 열 관리 시스템을 추가해야된다는 단점이 있었습니다.
특히 양 끝의 탭에 에너지가 집중되면서 탭과 그 주변이 손상되는 문제도 있습니다.

 

기존 원통형 셀과 4680배터리의 구조 및 단면 (출처 : https://techtricity.substack.com)

이에, 4680 배터리는 탭을 없애고 전극판 자체의 측면을 잘게 잘라서 탭 역할을 하도록 만들어 전극 면적을 늘리고 전자의 이동 경로를 줄였습니다.
이로 인해 전기 저항과 열 저항이 감소해 열 배출에 효과적이며, 출력을 향상시켰습니다. 또한 전자 이동이 전극판에 균일하게 분포하기 때문에 전지 수명이 늘어나고, 충전 속도 또한 개선할 수 있습니다.

 

기존 Single-Tab (좌)과 신규 Tabless (우)의 양 극판에서의 열생성률, 온도분포, 전류밀도 분포 비교 (출처 : Journal of Power Sources, 2021 논문)

 

이렇게 탭을 제거하면 배터리의 크기 문제와 열 발생 문제 해결 뿐만 아니라, 탭을 만드는 공정을 생략할 수 있어 공정 단가 감소, 설비 투자 비용 감소 및 생산성을 향상시킬 수 있습니다.

 

기존 배터리와 4680 배터리의 쿨링 시스템 비교

 

또한 열 방출 방향이 전극 단자 방향이기 때문에, 기존에 열 냉각을 위해 셀 사이사이에 배치되던 쿨링 시스템을 없애고, 셀의 위 아래 전극 부분에 냉각 플레이트를 배치해 구조를 단순화시켰으며 불용 공간 또한 감소해 에너지 용량을 높일 수 있었습니다.

 

4680배터리의 제조 방법 (출처 : "Tabless 에너지 저장 장치 및 그 제조 방법" 특허)

 

물론, 탭리스 구조 또한 단점이 있습니다.
양 극판에 탭 역할을 하는 작고 수많은 조각들이 음극과 양극이 서로 맞닿아 쇼트가 나지 않게 하는 것이 중요합니다.
이를 해결하기 위한 설계 기술 등이 필요할 것 같으나 배터리데이에서는 회사 기밀이라고 알려주지는 않았습니다.

현재 4680 배터리는 테슬라 자체 공장인 기가팩토리 네바다와 및 일본의 파나소닉이 양산 체계를 구축하고 있습니다.
테슬라의 기가팩토리에서 22년 4680 배터리 대량 양산을 시작을 목표로 하고 있으며, 22년 3~4분기부터 Model Y에 탑재하기로 선언하였습니다.
현재 4680 배터리의 수율은 지난해 20% 수준에서 80% 수준까지 달성한 것으로 파악되고 있습니다.

파나소닉은 2022년 3월부터 테스트 생산을 시작하고, 2024년 3월 양산 시작을 목표로 일본에 4680 배터리 전용 라인 2개를 짓기로 하였습니다. 또한 미국에 배터리 공장 증설을 계획하고 있다고 밝혔습니다

 

테슬라의 기업별 배터리 수급 전망 및 모델별 판매량 전망 (출처 : 미래에셋증권 리서치센터)

 

 

배터리 제조 공정에 대한 자세한 내용은 아래 포스팅 참고 바랍니다.

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 제조 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 제조 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 전극 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 전극 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 조립 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 조립 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 화성공정 (충방전 공정) 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 화성 공정 (충방전 공정) 및 관련 장비 기업