목차
1. 테슬라의 목표 : 테라 와트시 규모 배터리 생산
2. 4680 탭 리스 배터리 기술
3. 셀 공정 개선
4. 셀 원료 애노드
5. 셀 원료 캐소드
6. 구조용 배터리
7. 개선 효과 종합 효과
1. 테슬라의 목표 : 테라 와트시 규모 배터리 생산
테슬라 배터리데이에서 테슬라는 앞으로의 목표에 대해서 발표를 했는데요. 테슬라는 앞으로 자동차 시장이 100% 전기차로 바뀌기 위해서는 지금보다 100배에 달하는 배터리 시장 규모의 성장이 필요하다고 말을 했습니다.
이어서 발표한 자료에는 우리가 일상생활에서 쓰는 난방과 같은 에너지를 비롯한 산업에 쓰이는 전력까지 포함하면 100% 재생 에너지로의 전환에 필요한 배터리 규모의 성장은 1600배의 성장이 필요하다고 발표했습니다.
그런데 여기서 문제가 생깁니다. 운송 수단 변경을 위해서는 지금의 100배 재생 에너지로의 변환에는 지금의 1600배 성장을 하기 위해서는 엄청난 양의 배터리가 필요하게 되는데요 현재의 공장으로는 그 수요를 감당할 수가 없습니다. 기가 팩토리 하나를 지어도 고작 0.15TWh만 생산을 할 수밖에 없고 20TWh의 배터리를 생산하기 위해서는 현재의 기가 팩토리가 135개, 비용으로는 2조 달러 근무자는 약 280만명이나 필요하다는 추정이 나옵니다. 이것은 거의 실현 불가능합니다.
테슬라는 이 문제들을 해결하기 위해 처음부터 차량과 공장을 재설계합니다. 배터리 디자인부터 해서 배터리 생산 공정 개선, 양극재, 음극재, 차량구조까지 크게 5가지에서 배터리 생산 비용 절감 계획을 발표합니다.
먼저 배터리 디자인 개선입니다. 배터리 내부를 보시면 위의 사진과 같이 양극재와 음극재가 돌돌 말려있는 것과 탭이라고 하는 게 있는 것을 보실 수 있습니다.
배터리가 방전할 때는 리튬이 애노드에서 캐소드로 이동합니다.
반대로 배터리가 충전할 때는 리튬이 분리막을 통과해서 캐소드에서 애노드로 이동합니다.
테슬라는 더 나은 배터리를 만들기 위해서 직접 수많은 실험을 하면서 데이터를 축적했는데요. 셀의 외부 직경을 변화시키면서 비용을 얼마나 줄일 수 있는지, 차량 주행거리를 얼마나 늘릴 수 있을지 최적의 수치가 어디인지 그 곡선을 그려보았습니다. 그 결과 외부 직경이 46일 때 최적이라는 결론이 나오게 되었습니다.
2022.08.20 - [테슬라] - 테슬라는 왜 4680배터리를 채택했을까?
테슬라는 왜 4680배터리를 채택했을까?
목차 1. 이차전지 배터리의 원리 2. 테슬라는 왜 원통형 배터리를 고집할까? 3.18650, 21700 말고 왜 4680인가? 1. 이차전지의 원리 충전하는 동안 배터리에 전압이 가해질 때 양극으로부터 (+)양으로 대
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그런데 여기서 문제가 생기게 됩니다. 배터리 직경이 커지면 커질수록 테슬라가 지원하는 슈퍼차저를 쓸 때 충전 속도가 너무나도 느려지게 됩니다.
테슬라는 이 문제를 해결하기 위해 탭 리스라는 기술을 배터리 디자인에 적용했습니다.
2. 4680 탭 리스 배터리 기술
위의 사진을 보시면 이해가 쉬우실 것 같은데요. 기존의 배터리에서는 탭에서 탭으로 이동하느라 경로가 길었다면(250mm) 4680 배터리에서는 기존의 탭을 제거해 버림으로써 전자의 이동 경로를 획기적으로 줄입니다. (50mm) 기존의 배터리에서는 탭 한 개로만 이동을 할 수가 있었기 때문에 전자가 이동하는 데 있어서 병목현상이 발생하고 열이 발생하게 되는데 탭을 제거해 버림으로써(병목을 제거함으로써) 발열 문제를 해소할 수 있게 됩니다.
탭이 있는 작은 셀에서보다 탭이 없는 큰 셀에서 오히려 이동 경로가 더 줄어들게 된 것입니다. 이것이 얼마나 대단한가 하면 작은 마트에서 계산대가 한 개밖에 없어서 손님들이 줄을 서서 계산해야 한다면 훨씬 큰 대형 마트에서 계산대를 없애 버림으로써 손님들이 줄을 서서 기다릴 필요도 없이 자동으로 계산이 되게끔 만들었다고 보시면 좋을 것 같습니다. 그러면 손님들은 기다리는 스트레스를 덜 느끼게 될 것입니다. (발열이 적음)
3. 셀 공정 개선
다음은 셀 공정개선입니다. 테슬라가 주로 쓰는 배터리의 형태는 원통형입니다. 테슬라는 원통형 배터리를 어떻게 하면 더 빨리, 더 많이 양산을 할 수 있을까를 고민을 많이 했는데요. 모방은 창조의 어머니라고 하지요. 테슬라는 배터리 공정에 적용할 아이디어들을 기존의 공장들에서 얻었습니다.
셀 팩토리에서의 공정들을 보면 전극 공정이 있습니다. 활물질이 포일 위에 필름 코팅이 됩니다. 그다음 코팅된 포일은 와인딩 공정에서 돌돌 말리게 됩니다. 이 와인딩 공정에서 4680 탭 리스 배터리 셀이 아닌 기존 배터리처럼 탭을 붙이게 되면 수시로 공정을 멈추게 되는데 일론 머스크는 탭이 있으면 연속 공정을 돌릴 수가 없고, 멈췄다가 다시 시작하고 또 속도를 올리고 하려면 생산 속도가 현저히 떨어져서 양산 관점에서 상당히 거슬린다고 말했습니다. 하지만 테슬라는 위에 말씀드린 탭 리스 배터리를 개발 적용해서 와인딩 공정에서 속도를 한단계 높일 수가 있게 됐습니다.
그다음 젤리롤이 캔에 담긴 후 밀봉하고 전해액을 주입 후 화성 공정(formation)으로 넘어갑니다. 셀이 처음으로 충전되고 전기화학적 조치가 취해지고 셀의 품질을 검증하는 단계입니다. 테슬라는 모든 과정에서 앞서 보여드린 프린팅과 보틀링에서 얻은 영감을 적용하는 방안을 꾸준히 연구하고 그 공정들을 근본적으로 개선하고 양산을 더 쉽게 하는 방안을 생각했습니다.
먼저 습식공정 개선입니다. 왼쪽에 자세히 보시면 개미처럼 보이는 것이 사람입니다. 한눈에 봐도 배터리를 만들기 위한 공정을 처리하는 장비들이 얼마나 거대한지 알 수 있습니다.
전체 과정을 이해하기 쉽도록 습식 공정에 관해 설명해 드리자면 물이나 솔벤트와 입자들이 혼합되는 과정이 있습니다. 그 혼합물은 슬러리가 포일 위에 코팅 건조되는 거대한 오븐으로 갑니다. 수십미터 길이의 아주 큰 오븐입니다. 건조과정이 끝나면 솔벤트를 다시 회수해야 합니다. 그리고 마지막으로 코팅된 포일이 최종밀도로 압축됩니다.
테슬라에서는 이것이 굉장히 비효율적이라고 봤는데요. 도랑을 팠다가 다시 메우는 것처럼 솔벤트와 섞었다가 회수해서 재사용하는 의미 없는 과정을 건너뛰고 직접 건식으로 코팅하면 좋지 않을까? 라는 생각했다고 합니다. 그 과정을 건너뛰면 아래 사진처럼 됩니다.
건식 공정은 위에 있는 습식 공정에 비해서 굉장히 휑한 느낌을 받으실 수가 있는데요. 그만큼 동선과 에너지를 10배 줄일 수 있고 투자 비용도 엄청나게 감축할 수 있게 됩니다.
그다음은 조립 공정입니다. 조립 공정에서 좋은 성과를 내기 위해 가장 중요한 것은 연속적으로 움직이는 가운데 프로세스를 진행해야 한다는 것입니다. 조립라인이 고속도로라고 생각해보면 속도를 극대화하려면 시내 운전처럼 멈췄다가 출발하는 것이 있어서는 안 될 것입니다. 고속도로에서는 스탑사인 같은 교통신호가 있어서도 안 됩니다.
테슬라에서는 내부적으로 디자인팀과 협업하여 조립 속도를 극대화하기 위한 설비를 어떻게 만들 것인지 고민했습니다. 수직 통합해서 기존 공정에서 여러 개로 흩어져 있는 기계들을 하나로 만들고 불필요한 공정들을 제거함으로써 모든 조립 라인 공정 개선을 통해 라인당 7배의 생산량을 갖춘 20GWh 규모의 라인을 만들었습니다.
셀 팩토리에서 마지막 단계인 화성 공정(formation)입니다. 화성 공정이란 셀에 충 · 방전을 실시하고 셀의 품질을 검증하는 단계입니다.
테슬라는 생산된 자동차 수십억개의 셀에서 충 · 방전을 해본 경험이 있기 때문에 배터리에 대해서 많은 것을 알고 있습니다. 일반적인 화성 공정에서는 각각의 셀을 개별적으로 충 · 방전시키지만, 테슬라는 차량에서 수천개의 셀에 대해 동시에 실시합니다. 그 외에도 파워월과 차량 BMS 등이 화성 공정 설비 원가절감과 에너지밀도를 드라마틱하게 향상하도록 전력 전자공학 이론과 법칙을 활용했습니다.
이에 따라 86%의 화성 공정 투자 절감을 달성했고, 75%의 에너지 효율 향상을 달성했습니다.
위에서 말씀드린 수많은 공정의 개선을 통해 GWh당 75%의 투자 비용을 절감할 수 있게 되었고 훨씬 적은 동선으로 배터리를 생산할 수 있기 때문에 150GWh로 계획된 공간보다 더 작은 공간에서 1TWh 규모의 생산을 가능하게 합니다.
4. 셀 원료 애노드
그다음은 애노드(축전지의 음극재)입니다. 차세대 배터리에는 실리콘을 애노드로 활용했는데요. 실리콘은 지구 지표면에서 산소 다음으로 흔한 원소입니다.
실리콘은 오늘날 리튬이온 배터리의 음극재로 일반적으로 쓰이는 흑연보다도 리튬을 9배나 많이 보유하기도 합니다. 이런 좋은 실리콘을 왜 배터리에 쓰지 않는 것일까요?
가장 큰 이유는 리튬으로 풀충전되면 부피가 4배로 확장되는 문제가 있습니다. 기본적으로 그런 부피팽창은 입자에 스트레스를 주고 크래킹이 생기게 되며, 전기적 절연 현상이 나타나게 되고 용량이 줄어들게 되면서 배터리의 에너지 저장능력이 저하됩니다.
그냥 단순한 실리콘을 사용하게 되면 오늘날 배터리 제조에 사용되는 실리콘에 비해 드라마틱하게 비용을 절감할 수 있습니다. 그리고 훨씬 더 많이 사용할 수 있게 됩니다.
어떻게 저렇게 저렴하게 만들 수 있는 것일까요? 테슬라에서는 실리콘 원재료부터 시작해서 탄성 이온 폴리머 코팅을 통해 표면을 안정시킵니다. 이 방법은 돈이 많이 들어가는 고도의 공정이 필요하지 않으며 대량공정이 가능합니다. 그러고 나서 고도의 탄성 바인더로 형성된 견고한 네트워크를 통해 전극과 통합시킵니다. 마지막으로 이 실리콘의 능력을 통해 차량의 주행거리를 20% 향상할 수 있습니다. 배터리가 더 저렴해지고 차량의 주행거리가 더 길어지게 되는 것입니다.
5. 셀 원료 캐소드
배터리 셀 디자인, 셀 팩토리 공정 개선, 애노드, 까지 37%를 절감했습니다. 다음은 캐소드입니다.
캐소드(배터리의 양극재)는 무엇일까요? 캐소드는 책장이라고 할 수 있습니다. 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 리튬은 책이라고 볼 수 있습니다. 이 물질들의 차이점은 얼마나 많은 리튬 책을 책장에 꽂을 수 있으며 책장이 얼마나 튼튼한가 입니다.
표에서 캐소드 원재료의 kWh당 달러가 Y 축이고 캐소드의 에너지 밀도가 X축입니다. 표를 보시면 니켈이 가장 저렴하고 에너지 밀도가 높다는 것을 알 수 있습니다. 그래서 많은 회사가 니켈 함유량을 늘리고 싶어 합니다. 그런데도 코발트가 쓰이는 이유는 코발트가 매우 안정적인 책장이기 때문입니다. 순수 니켈을 사용하는 데 있어서 장애요인은 니켈만으로 책장을 안정시켜야 한다는 점입니다.
테슬라에서는 코발트를 전혀 사용하지 않는 하이 니켈 캐소드를 연구해왔습니다. 독자적인 코팅 기술과 도펀트 덕분에 캐소드에서 $/KWh를 15% 절감할 수 있게 됐습니다.
위 사진은 전통적인 캐소드 공정입니다. 왼쪽에서부터 보면 광산에서 채취한 금속 물질이 있습니다. 첫 번째로 광산에서 채취한 금속 물질이 중간물질인 황산 금속 물질로 변화됩니다. 화학 공정을 가하고, 많은 양의 물을 사용하고, 중간에 많은 일들이 일어납니다. 결국에는 많은 양의 물을 소모해서 소량의 캐소드와 부산물들을 만들어 냅니다.
일론 머스크는 이것을 도랑을 팠다가 메웠다 다시 팠다가 메웠다가를 반복하는 바보 같은 짓이라고 배터리 데이에서 말했습니다. 그럼 이걸 개선하기 위해서 어떻게 했을까요?
이것이 테슬라에서 새로 제안하는 프로세스입니다. 보시다시피 훨씬 더 적은 과정을 거치게 됩니다. 중간물질은 없어지고 물과 금속 물질, 최종 캐소드 제품, 물을 재순환해서 물을 하나도 낭비하지 않습니다.
이를 정리 요약하면, 66%의 투자 비용을 절감하고 76%의 공정비용을 절감하며 물을 전혀 낭비하지 않게 됩니다. 양산에 훨씬 더 유리한 해결책입니다.
테슬라는 또한 캐소드 공급망과 생산을 현지화함에 따라 캐소드 원료의 이동 거리를 80% 줄이고 거기서 엄청난 비용 절감을 이루어냅니다. 황산염과 중간물질을 제거하고 리튬 비용을 33% 절감하고 캐소드 플랜트와 100% 전기설비로 구동하는 공장을 동일 장소에 설치합니다.
테슬라는 현지 조달하기 위해 네바다의 리튬 매장량 사용 허가를 받았습니다. 이제는 광산업에도 뛰어들겠다는 테슬라의 의지를 볼 수 있는데요. 다른 광산업체와 협업을 할 뿐만 아니라 직접 리튬을 채굴하여 원가절감을 하겠다는 계획을 보여줍니다.
가까운 미래에 연간 20TWh의 생산량을 유지하게 되면, 화석연료 발전소, 가정난방, 산업용 난방, 차량 등을 모두 전기 에너지화할 수 있게 됩니다. 그 시점이 되면 폐배터리를 재활용하는 것으로 새로운 배터리 제조에 필요한 자원을 쉽게 얻을 수 있게 됩니다. 그 시기가 되면 더 이상 채굴할 필요가 없어지게 됩니다. 왜 그런지는 사진을 보시면 아실 수가 있는데요.
자동차에서 나오는 폐배터리에서 뽑아낼 수 있는 원료의 양과 땅에서 얻을 수 있는 양을 보면 당연히 폐배터리를 재활용하는 쪽을 선택하게 될 것입니다.
6. 구조용 배터리
앞선 공정 개선들로 테슬라는 $/KWH 당 49%의 비용 절감을 달성했는데요. 마지막으로 남은 것은 구조용 배터리입니다.
구조용 배터리를 설명해 드리기에 앞서 기가 캐스팅에 알아봐야 하는데요. 제가 이전에 쓴 글을 보시면 이해하기 편하실 겁니다.
2022.08.18 - [테슬라] - 테슬라가 로봇이 아닌 기가프레스를 사용하는 이유
테슬라는 기가 프레스를 사용하여 차체 앞면과 뒷면을 각각 한 개의 부품으로 만들어 냅니다. 그리고 그 가운데에 구조용 배터리를 탑재하게 되는데요. 왜 기존의 배터리 모듈 형태가 아닌 배터리를 구조용으로 쓰는가? 에 대해서 테슬라는 비행기를 예로 들었습니다.
초창기 비행기는 날개를 연료탱크 따로 날개 따로 만들어서 날개 안에 탱크를 넣는 형식으로 만들었는데요. 이렇게 만들면 연료탱크가 제한적으로 들어갈 수밖에 없고 자연스럽게 용량이 적어져서 주행거리가 짧을 수밖에 없게 됩니다. 그러나 현대에 들어서는 연료탱크를 날개 모양으로 만듦으로써 추가적인 골조를 넣을 필요도 없으므로 무게를 감소시킬 수 있게 되고 더 많은 연료를 넣을 수 있게 됨으로써 주행거리가 초창기 비행기 대비 많이 늘어나게 됐습니다.
테슬라에서는 이를 차체와 배터리에도 적용했는데요. 기존의 차체와 배터리가 분리된 방식에서 벗어나서 배터리를 차체로 만들었습니다. 초창기 비행기에서 현대로 오면서 연료탱크가 단순한 화물이 아닌 구조적으로서 날개의 역할을 하는 탱크가 되었듯이 테슬라의 차량에서도 배터리가 단순한 에너지저장 장치로써의 역할이 아닌 차체의 무게를 지탱해주는 구조용 배터리 역할을 하게 됩니다. 이렇게 만들면 비행기의 예처럼 불필요한 구조물이 사라지게 됨으로써 차량의 무게를 감소시킬 수 있고 기존에 구조물이 들어가던 공간에 더 많은 배터리를 탑재하게 됨으로써 주행거리가 증가하게 됩니다.
기가 캐스팅 기계의 도입과 구조용 배터리 기술 접목으로 테슬라의 차량은 10%의 질량이 감소하게 되고 14%의 주행거리가 증가할 수 있게 되었으며 370개 부품의 감소로 더욱 양산에 유리하게 되었습니다.
앞서 소개해드린 수많은 수직통합을 통한 공정개선과 기가 프레스 도입 등으로 공장도 엄청나게 단순화가 가능해졌는데요. GWh 당 투자비를 50% 줄일 수 있고 바닥면적을 35% 줄일 수 있으며 향후 공장을 더 건설하여 더 발전시킬 계획이라고 합니다.
7. 개선 효과 종합 효과
이제 $/KWh 총 절감률이 56%가 되었습니다. 테슬라는 외계인 우주선처럼 없는 것을 만들어 내는 것이 아니라 기존의 기술들에서 조금씩 개선을 통해서 무려 56%나 되는 비용 절감을 이루어 냈습니다.
차량 주행거리와 에너지 밀도에서 54%의 향상, $/KWh를 배터리팩 레벨에서 56% 줄이고, GWh당 투자비를 69% 줄일 수 있습니다.
앞서 처음 부분에서 말씀드렸던 양산 문제를 어떻게 해결할 것인지에 대한 해답입니다. GWh당 투자비를 약 70% 가까이 절감할 수 있으니 단순 계산으로도 기존 공장 1대 지을 돈이면 3대를 지을 수 있다는 결론이 나오게 됩니다. 앞으로 더 비용 절감을 하게 될 예정이라고 하니 그 비율은 더 높아질 거라고 생각됩니다.
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