테슬라는 최근 가동한  ‘기가 텍사스’ 공장에서 모델 Y를 생산하기 시작했습니다. 이 차에 4680이라는 배터리가 들어갔다고 하는데, 다른데서 이야기하는 거 들어보면 막~ 배터리의 혁신이라고 그래요. 늘 테슬라가 처음들어보는 기술이나 목표를 들고와서 그런지 이건 또 뭔지 호기심이 생깁니다. 그렇다면, 4680 배터리란 무엇일까요? 테슬라는 왜 이 배터리를 개발하게 됐을까요? 다키포스트 오늘의 주제, 테슬라 4680 배터리 입니다.

전기차 배터리는 크게 3가지 타입이 존재합니다. 각형, 파우치형, 원통형이 있죠. 이번 내용에선 다른 두 가지는 생략하고 원통형 배터리만 살펴보겠습니다. 테슬라가 원통형 배터리에 집중한 이유는 ‘비용절감’ 이유가 가장 큽니다.
 

원통형 배터리는 다른 타입보다 오래된 방식입니다. 90년대 초 일본 소니에서 개발한 ‘18650 배터리’입니다. 지름 18mm - 높이 65mm - 원통형태( 0 )라는 의미로 이런 이름이 붙은거죠. 원통형태는 가끔 생략하는 경우가 있어 1865 배터리로 부르기도 합니다.
 

테슬라는 2008년 로드스터 모델부터 이 배터리를 탑재했습니다. 원통형 배터리는 20년 넘게 생산된 방식이다 보니 구하기 쉽고, 무엇보다 안정성이 높아요. 또, 대량 생산에 유리해서 제작 단가 역시 저렴합니다. 그리고 작은 원통안에 배터리 소재를 둘둘 말아 넣는 방식이라 에너지 밀도가 높죠.

하지만 배터리 모양이 원기둥이라, 모아서 배터리 팩을 만들면 버려지는 공간이 생깁니다. 빈공간 만큼 배터리 적재 공간을 손해보기 때문에, 다른 방식에 비해 전체 에너지 밀도를 끌어올리기 어렵죠. 그밖에 배터리 구조상 열이 많이 발생해 배터리 냉각에 좀 더 신경써야 한다는 문제도 있습니다.

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

이 과정 중 1865 방식에서 2170 배터리로 발전했고, 기가 텍사스 공장 가동 이후 4680 배터리가 생산되기 시작했죠.

그런데, 배터리를 크게 만들면 왜 좋은 걸까요? 

한국자동차연구원에 따르면, 원통형 배터리를 크게 만들면 에너지당 제조 공정 횟수가 줄어든다고 합니다. 즉, 대량 생산에 도움이 돼 생산 단가를 낮출수 있는 것이죠. 또, 사이즈가 커진만큼 담아둘 수 있는 에너지 역시 많아지죠.

한편 미국전기화학회지 논문에 따르면, 원통형 배터리 사이즈를 키우면 배터리 팩 하나를 채우는데 필요한 원통형 배터리 수가 줄어듭니다. 하나 당 부피가 크니 당연한 거죠. 1865 보다 큰 2170 배터리를 탑재하면 33%만큼 감소하는 것으로 알려져 있습니다. 

이 경우, BMS가 관리하는 배터리 역시 감소합니다. 덕분에 배터리의 복잡성이 감소해, 비용 절감으로 이어지죠.

테슬라는 이런 장점에 주목해, 기존에 생산하던 2170 배터리에서 4680으로 넘어가고 있습니다.  그렇다면, 4680 배터리는 어떤 특징이 있을까요?

4680 배터리는 지름 46mm - 높이 80mm의 원통형 배터리입니다. 1865 타입과 비교하면 거의 2배 커졌습니다. 이 배터리는 2170 타입 보다 5배 가량 에너지를 저장할 수 있고, 출력은 6배나 강합니다. 그리고 주행거리는 16% 만큼 길다고 하죠. 

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

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

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

탭리스 기술은 간단히 말해 단자에서 전극으로 전류가 흐르는 통로인 ‘리드탭’을 없애고 면 전체를 도체로 활용하는 방식을 의미합니다. 리드탭을 배터리에 붙이려면 용접 과정이 필요했는데 이 과정을 없애 비용을 줄이겠다는 것입니다. 또, 용접 과정중 돌출부가 생길 수 있는데 양극 사이의 분리막을 손상시켜 화재를 발생시킬 위험이 있습니다. 이러한 점 역시 예방할 수 있죠.

즉, 비용, 안정성, 효율성 모두를 기대할 수 있는 핵심 기술중 하나로 볼 수 있습니다.
 

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

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

‘건식 전극’의 경우 배터리 양극재를 만들 때 건조 과정을 제외한 방식을 의미합니다. 소재를 녹여 집전체에 바르고 말리는 과정을 거치는 ‘습식’ 방식은 오래 걸린다는 한계가 있습니다. 때문에 양극재를 녹이지 않고 가루 자체로 집전체에 붙이는 ‘건식 전극’을 도입하겠다는 것이죠.

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

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

테슬라는 4680 배터리를 비롯해 다양한 기술로 전기차 주행거리는 54% 정도 늘리고, 배터리 팩 비용은 56% 감소하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이런 기술들이 모두 완성되면 2만 5천 달러 수준의 전기차를 만들 수 있게 되죠. 물론 이 계획은 모델3와 모델Y가 너무 잘 팔리는 바람에 테슬라가 무기한 연장하긴 했지만 기술적으로 불가능한건 아니라는 걸 알 수 있습니다.

즉, 우리돈으로 3천 안팎의 보급형 전기차를 만들 수 있게 됩니다. 만약 보조금을 받으면 2천만원 중후반에 구매할 수 있다는 계산이 나오죠. 

일론 머스크는 자동차 업계의 이단아이자 혁신가로 평가하기에 충분합니다. 과연 이번 배터리의 변화가 업계에 어떤 영향을 미칠지 기대가 됩니다.





"이건 진짜 될까?" 3천초반 테슬라 전기차 4680 배터리
글 / 다키포스트
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