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1. 개요
플라스틱 성분의 케이스로 인해 상대적으로 외부 충격으로 인한 발화에 취약하고, 셀 간 연쇄발화로 연결되기도 쉬운 파우치형 배터리를 쓰지 않고 배터리 화재에 가장 안전한 금속 캔 케이스로 둘러싸인 원통형 배터리를 사용한다.하지만 에너지밀도가 낮고, 팩으로 만들기 까다로운 단점도 있다.
테슬라에서 자체 생산 중인 배터리 기술과 관련된 것이다. 테슬라는 현재 만들어지는 전기차에서 쓰이는 스케이트 보드 방식을 퍼뜨린 회사이기도 하다.
2. 스케이트 보드 플랫폼
2.1. 개요
2002년 GM의 콘셉트 카 아토노미(Autonomy)와 하이와이어카에서 처음으로 나온 개념이며, 테슬라에서 모델 S를 통해 양산차에 적용 후 해당되는 특허를 풀어 모든 전기차에 적용할 수 있게 된, 현재 전기차에서 가장 널리 사용되는 플랫폼 형태이다. 원통형 배터리를 배터리팩에 넣어 차량 아랫 부분에 넣는 방식이다.2.2. 장점과 단점
장점은 상당히 많다.다양한 종류의 차량을 만들 수 있는데, 차량의 껍데기를 모조리 다 바꾸어서 만들 수 있으며 이를 통해 일괄적인 모습의 전기차가 아닌 우리가 익히 알고 있는 내연기관차의 모습과 유사하거나 똑같은 차량도 만들 수 있게 되며 미래에서 온 듯한 모습의 전기차도 만들 수 있다.
차량 내 배터리팩이 가운데에 크고 길게 존재를 하므로 통해 차량의 무게의 안정성이 생기며 동시에 측면의 충돌로 인한 차량 전복의 위험성이 상당히 줄어든다. 또한 일정한 모듈을 사용함으로써 신작 차량을 만드는 비용이나 시간이 대폭 단축이 되며 공정비용의 절감 또한 있다.
차체만을 위해서 만드는 회사나 배터리 셀과 관련된 신규 회사들 그리고, 전기차 모터 등을 개발하는 회사나 무선 충전을 하기 위해서 개발하는 회사 등이 생길 수 있게 되었으며, 해당 플랫폼을 이용함으로서 주행거리의 전폭적인 증가 또한 이루어졌다.
단점으로서는 차량 아랫 부분에 배터리셀이 존재를 함으로 인해 배터리 안전이 매우 중요해진다. 배터리 셀의 보호가 제대로 이루어지지 않는다면 그에 따른 화재의 위험성 또한 커지며, 배터리 셀에 충격이 가해질 가능성이나 배터리셀과 관련된 부품의 고장의 가능성도 커진다
하지만 생각보다 적은 단점과 그를 뛰어넘는 장점으로 인해 전기차 회사들은 하나같이 해당 플랫폼을 이용하고 있다.
2.3. 다양화
폭스바겐은 테슬라가 공개한 특허를 토대로 자신들만의 스케이트 보드 플랫폼을 만들었다. MEB(Modularer E-Antribs-Baukasten; i.e., Modular Electric Propulsion Platform)이라는 것이며, 현대자동차또한 미국 LA에 위치를 한 소재 회사 카누와 협업을 하여 E-GMP를 만들었다. 해당되는 모듈을 통해 폭스바겐과 현대 자동차는 800V까지 지원되는 차량을 만들었으며 IMA(Integrated Modular Architecture)이라는 다음 세대를 내놓을 예정이며. 테슬라에서 퇴사한 전 CEO가 창립한 루시드에선 자신들만의 LEAP (Lucid Electric Advanced Platform)라는 스케이트 플랫폼 기술을 사용하여 LUCC라 명칭을 정한 전기차 전용 플랫폼을 만들어 900v, 800w이상의충전까지 지원되는 차량을 만들었다.2.4. 진화
성공적으로 스케이트 보드를 뿌린 테슬라는 다른 회사에서는 시작 중인 스케이트 보드 방식을 구형 방식이라고 폄하하면서 새로운 방식의 플랫폼을 만들었다. 해당하는 방식은 구조화 배터리(Structural Battery)방식이다. 타 회사들이 스케이트 보드 방식을 토대로 플랫폼을 만들고 배터리 셀의 소재 변경이나 전고체 배터리 등을 연구하면서 더 멀리 더 빠르게 가는 것을 생각하여 성능 개선 쪽으로 나아갈 때 테슬라는 더 안전하고 배터리를 효율적으로 넣기 위해서 설계를 바꾸었다.새시 자체가 배터리 팩의 역할을 하는 것으로서 비행기의 날개가 연료 탱크의 역할을 한다는 것에서 차용하였다고 한다. CTC(Cell-To-Chassis), CTV(Cell-To-Vehicle)라고도 불리는 이 방식을 통해서 차체의 언더바디 프레임 내에 배터리 셀을 넣을 수 있는 허니콤 형태를 만들고 에폭시 충전제를 주입해 자체적으로 충격 흡수의 감성을 갖게 하였으며 냉각 플레이트를 바닥에 배치해서 배터리 셀의 열을 방출시킬 수 있도록 설계하였다.
기존 스케이트 방식은 공간이 존재하여 공간 효율이 낮은 데에 비해 새로운 방식을 사용 시 허니콤 구조 즉, 벌집 형태를 사용하게 되어 공간 효율이 가장 크고 단단하며 안정적인 구조물이 된다. 더불어 더 가볍고 높은 강성을 가지게 되며 에폭시 충전재를 이용하여 언더바디 상, 하판의 진단력을 더 잘 전달할 수 있어서 안정적이고 견고해졌다. 또한 부가적인 충격 방지충격방지 구조물을 모두 제거할 수 있어서 그 자리에 추가적인 배터리 셸을 넣을 수 있어서 에너지 밀도를 높일 수 있다.
여기에서 4680배터리를 넣는 이유가 나오는데 해당하는 배터리를 사용함으로써 기존 21700 배터리와 비교 시 셀의 전극 면에 냉각 플레이트를 배치하는 단순한 구조를 사용할 수 있어서 공간 효율이 높아지고 부품 및 공간 절감이 가능해졌다. 또한 차량의 무게를 추가적으로 10%를 감소시킬 수 있고 주행거리를 14% 향상하며 370개의 부품을 줄일 수 있게 된다. 여기에 기가프레스를 이용하여 찍어내어 프론트 바디, 리어바디를 결합하고 언더그라운드 보디 위로 좌석을 붙여 부품 수와 공정 수를 크게 줄이면 배터리 용량(GWh)당 공장의 투자비를 55% 바닥 면적을 35% 줄일 수 있다.
또한 배터리 팩이 바로 아래에 위치한 것이 아닌 새시내에 넣을 수 있게 되면서 호스 등 배터리 보호와 관련 부품보호가 더욱 강력하게 되었다.[1]
해당되는 방식은 독일 기가배틀린에서 생산되는 모델 Y 리프레시 버전에 적용되어 있다.
3. 배터리
열관리 용이도: 각형 < 파우치형 < 원통형
충격 위험도: 원통형 < 각형 < 파우치 [2]
가격 경쟁력: 파우치형 < 각형 < 원통형
화재 위험도: 원통형 < 각형 < 파우치형
공간 활용도: 원통형 < 각형 < 파우치형
외피 재질
각형: 금속, 파우치: 플라스틱, 원통형: 금속 캔
3.1. 원통형 배터리
원통형 배터리는 금속 캔을 케이스로 사용하기에 상대적으로 내구성이 높고 화재 전파 방지에 유리하다. 뿐만 아니라 단 셀의 온도가 급격하게 상승할 시 배터리 셀을 연결하는 금속 와이어가 녹아내려 끊어지며 전류를 차단하는 퓨즈 역할을 함으로써, 화재 전파를 방지해준다는 장점도 있다.[3]
원통형 배터리는 가장 보기 쉬운 배터리 형태이며, 테슬라가 자동차에 가장 먼저 넣었으며 테슬라에서 가장 많이 사용되고 있는 방식의 배터리이다. 중국은 CATL이 주로 공급을 하기에 각형 배터리를 사용하고 있으며 다른 미국 자동차와 폭스바겐에서는 파우치 방식을 주로 사용하고 있으며 국내의 경우는 현대자동차의 아이오닉 5에서 보이다시피 현대기아는 파우치형 방식을 사용하고 있다.
각형은 단단한 금속 캔 안에 배터리를 보관하기에 상대적으로 외부 충격에 강하며, 파우치형은 케이스가 플라스틱 재질인만큼 형태 변형이 용이하지만 외부 충격에 대한 안전성은 좀 더 취약하다. 원통형은 상대적으로 저렴하고 만들기 쉽다는 장점이 있지만, 팩 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있으며 팩으로 만들기 힘들다는 단점이 있다. 팩 하나를 만드는데에 4,400개의 21700배터리로 하나의 팩을 만들시 17,600번의 용접이 필요할 정도로 공정이 까다로워지며 관리또한 까다롭다.또한 원통형이기 때문에 구조상 에너지 밀도가 낮고 패키징 시에 못 쓰는 공간이 많다. 또한 셀의 크기가 커질 수록 배터리 팩의 공간효율이 떨어지고 각 전지를 연결하는 장착 비용또한 증가한다.
이러한 문제가 있기에 테슬라는 4680배터리를 제창하고 만들겠다고 하였으며 기존의 차량 설계로는 Structural Pack이라는 배터리 팩 구조를 도입시켜 기존의 스케이트 보드 방식에서 더 나아가서 셀을 더 넣을 수 있도록 바꾸었다.
현재 원통형 배터리를 사용하는 회사는 테슬라와 루시드이다.
3.1.1. 18650 배터리
21700배터리가 나오기 전 가장 많이 사용되었던 배터리 형태이며 직경 18mm 길이 65mm의 원통형 배터리다. 일본 소니에서 만들어진 규격이며 NiMH 및 리튬 이온 배터리둘다 18650배터리에 들어가지만 현재는 가격 경쟁력으로 인해 리튬 이온 배터리만 사용된다. 리튬 이온 배터리는 크게 2가지로 나누어 지는데 삼원 리튬 이온 배터리와 리튬 인산철 배터리로 나누어지며 이두개의 배터리는 현재에도 다양한 배터리에 사용되는 리튬 이온 배터리의 형태이다.테슬라가 원통형 배터리 18650배터리로 로드스터를 내놓을때만해도 라미네이트 리튬이온전지 등 다른 전지 기술은 아직 좋지 않았으며 생산성과 안정성이 떨어졌기 때문이다. 또한 배터리의 일관성이 요구 사항을 충족하지 않으면 직렬 및 병렬로 연결된 많은 수의 배터리로 구성된 배터리 팩을 관리하면 각 배터리의 성능이 향상되지 않았는데 18650배터리는 그것을 충족을 시키고, 고장이 나도 작은 범위내에서 다른 셀을 이용하는 것으로 제어를 할 수 있어서 대형 배터리셀과 비교시 고장의 영향이 적다보니 자연스럽게 원통형 배터리가 선택이 되었다.
용량은 일반적인 AA형 배터리와 비교시 1200mah에서 3600mah 사이로 더 크며, 배터리팩으로 결합시 5000mah를 초과할 수 있다. 같은 무게의 NiMH 배터리의 1.5~2배이며 배터리 방전율도 낮다.또한 셀의 에너지 밀도는 250Wh/kg. 500사이클 이상의 긴 수명을 가졌기 당시에는 가장 좋은 선택지다.
다만, 높은 발열, 복잡한 그룹 형성 및 빠른 충전이 불가능한 등의 문제에 여전히 직면하고 있어서 이를 해결하고자 테슬라는 21700배터리를 만들게 되었다.
3.1.2. 21700 배터리
테슬라가 세상에 처음 내놓은 테슬라 로드스터 1세대는 18650 배터리를 사용하여 만들었다. 하지만, 해당되는 배터리만으로는 테슬라가 원하는 가격과 거리가 나오지 않았기에 새로운 배터리 형태가 필요하였다. 하지만, 이때까지는 테슬라가 직접 만들 정도의 돈과 기술이 없었기에 테슬라는 해당되는 기술을 다른 배터리 회사와 협업을 해서 만드는 방식으로 나아갔다.18650배터리를 사용했던 테슬라는 더 좋은 배터리를 써야겠다는 생각으로 원통형의 배터리를 만들 수 있는 배터리 회사들을 향해 원하는 가격에 개발하고 만들어 줄 수 있는지를 물었고, 해당되는 가격이 너무나도 터무니없이 싼 가격이라는 것을 안 배터리 회사들은 하나같이 거절을 하였으나 일본의 파나소닉은 해당되는 딜에 응하였다. 그리고, 테슬라와 파나소닉 둘의 협업이 시작되었으며 네바다에 기가 네바다라고 하는 배터리를 만드는 공장을 만들어 2016년부터 생산하였다.
일본파나소닉과의 협업을 통해서 개발한 21700배터리는 지름 21mm 길이 70mm을 가졌으며 18650와 비교해보면 테슬라에 들어간 배터리 모노머의 용량은 35% 이상 더 높은 3~4.8Ah에 도달하여 20% 더 높은 300Wh/kg의 에너지 밀도를 가지게 되었다. 또한 니켈이 80% 이상 들어간 NMC811이나 NCMA 양극재 적용해 용량을 50% 이상 늘어났으며, 18650의 생산라인을 변경하지 않고 그대로 사용가능하다는 점이 있었으며 성장중인 테슬라에서 엄청난 수의 21700배터를 사용함에 따라 당시 18650사용하던 회사들은 하나같이 21700배터리 개발과 생산에 돌입하였다.
21700 배터리의 전원 리튬 배터리 시스템은 $170/Wh, 18650 배터리 시스템은 $185/Wh를 기록을 하였다. 또한 동일 용량대비 무게가 약 10% 감소하였다. 단일셀의 용량이 증가하고 부피가 커짐에 따라 단일 셀의 밀도가 높아져 동일 에너지에 필요한 셀의 수를 1/3으로 줄였기에 가능한 것으로서 이전보다 시스템 관리의 어려움이 줄고 배터리 팩에 사용되는 부품 수를 줄여 배터리 무게가 더욱 줄여들었다. 삼성 SDI에서 개발한 21700의 경우 소니에서 만든것과 비교시 10%더 가볍다.
이로 인해 모델 3 기준 배터리 시스템 비용이 약 9% 감소를 하였다.
한편 합작해서 만든 공장에서 테슬라 리튬이온 셀 모듈, 셀 팩, 모터, 드라이브 유닛 등을 생산하였으며, 해당 공장에 파나소닉이 16억 달러라는 거금을 투자를 하여 만들었기에 일부 공간에서 배터리를 생산하고 있지만, 해당되는 기술의 개발은 상당히 힘들었으며 동시에 테슬라가 원하는 수율과 가격까지 맞추어야 하기에 상당한 부채를 떠안게 된 파나소닉은 2021년이 되었어야 흑자를 보게 되었지만 그동안 잦은 다툼이 발생하여 스가 가즈히로가 한숨을 쉴 정도였으며, 흑자를 보기도 전에 자리에서 나갈 수밖에 없었다.
네바다 공장의 대다수는 테슬라 제품을 생산하고 있으며, 파나소닉의 기술을 어깨너머로 배운 테슬라는 이를 통해 4680 배터리를 개발하고 생산하고 있다.
3.1.3. 4680 배터리
2020년 배터리데이때 테슬라의 일론 머스크가 먼저 제창한 배터리의 용량이며 자체적으로 생산하기로 한 배터리이기도 하다. 지름 46mm 길이 80mm의 원통형 배터리로서 테슬라에 따르면 차량 주행거리와 비용절감 사이에서 46mm가 최고의 스윗스팟이었기에 이와 같은 크기로 개발을 하기로 한 것이다.
기존의 배터리와 비교해서 에너지 용량은 5배, 출력은 6배 개선돼 전기차 주행거리도 16%늘어난다고 알려진 배터리이기도 하며, 테슬라가 셀 지름에 따른 셀 가격 감소폭과 주행거리 증가 추이에서 가장 이상적인 수치라고 말하는 배터리이기도 하며 기존 21700배터리와 비교시 부피가 25배 늘어났다.
배터리 생산에서 주로 하고 있는 습식 방식에서 벗어나 건식 방식으로 개발이 이루어지며 이를 통해 생산 단가도 크게 줄여서 기존 21700배터리 가격에서 50%를 감소시키는 것을 목표로 하고 있다.
4680 배터리에서 NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 양극재를 적용해 니켈 함량을 85~90%로 높이고, 알루미늄을 첨가하여 더 화학적으로 더 안정적이 되며 차량의 주행 거리가 훨씬 더 늘어나는 배터리가 만들어진다. 또한 배터리를 관리하는 BMS(Battery Management System) 부품이 관리해야할 셀 수가 4400개에서 830개로 대폭 줄어들어 셀 관리가 쉬워지면서 차량 운행을 하면서도 배터리의 안정성이 대폭 증가한다.
배터리를 만드는데에 있어서도 용접 횟수도 줄어드는데 Reuters 통신의 보도에 의하면, 기존 2170의 셀당 용접 필요 횟수가 4번이었다면, 4680은 그 절반인 2번으로 줄어든다. 기존에 2170 팩에서 셀 연결에 17,600번(4,400*4)의 용접을 필요로 했다면, 4680 팩에선 그 10분의 1도 안되는 1,660번(830*2)으로 줄어드는 것이다.
다만, 해당되는 방식으로 만들어지면 Dead Space가 더 늘어나게 되기에 이를 해결하고자 Structural Pack를 만들어서 더 높은 단계의 플랫폼을 만들어내어 배터리셀 보호를 더 잘 할 수 있도록 하면서도 4680배터리를 넣어도 부족한 공간이 최대한 적게 하도록 만들었다.
자동차 개발과 생산을 해봤어도 배터리 생산을 해본 적이 없는 테슬라였기에 배터리를 만들고 개발하고 생산하는 것이 매우 힘들 것이라고 판단을 하고 그것을 비웃는 이들이 많았다. 하지만 개발이 점차 진행되고 수율이 높아지면서 2023년 6월에는 텍사스에서 생산된 4680총 생산량이 1000만개를 넘어섰다. 사이버트럭에 약 18,000개씩 들어간다.
배터리데이 한글자막
4680 상세 스펙
무게: 355g
음극: 실리콘 없는 흑연
양극: NCM(81.6% 니켈)[4]
전극기술: 테이블 디자인
예상 총 용량: 26.136ah
예상 총 에너지: 96-99wh(3.7~3.8v)로 가정(2세대 108wh, 3세대 118wh)
예상 에너지 밀도 272~296wh//kg(305wh/kg, 3세대 333wh/kg)
3.1.3.1. 원가 절감
테슬라가 4680배터리를 직접 만드는 또 다른 이유는 원가절감이다. 전기자동차의 상당한 비중이 배터리에 들어가기 때문에 이를 해결하고자 테슬라는 4680배터리를 자체개발하고 생산하려고 하려는 것이다. 유통비는 물론 각 제조사가 가져가는 마진도 줄이며 테슬라가 원하는 만큼의 원가절감까지 하여 차량 제조가격을 대폭 낮추어 추가적인 가격 하락을 시키려는 것이다.
배터리 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(셀 공정 감소를 통해 18%)
- 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
테슬라는 4680 배터리를 직접 생산하면서 4680셋과 탭리스 구조로 변경하는 셀 품팩터 변경을 통해서 14%, 전극 건식공정과 조립라인 개선을 포함한 셀 팩토리 개선을 통해서 18% 애노드(실리콘)과 캐노드(니켈)개선을 통해서 5%를 캐소드 리튬 조달방안과 수많은 폐배터리를 다시 사용하는 리사이클링을 통한 양극제 및 공정 개선을 통해서 12%, 싱글피터 캐스팅과 스트럭쳐럴 배터리 방식와 팩토리 단순화를 통한 배터리 공정 통합을 통해 7% 개선을 하여 원가절감을 총 56% 시킬 예정이다.
여기서 가장 중요한 것은 폐배터리를 사용하는 리사이클링이다. 이 방법은 전기 자동차가 많이 생산되면서 원료 부족이 일어난 지금 상당히 경제적이며 환경에도 좋은 것이기에 레드우드 머티리얼즈와 손잡은 테슬라는 리사이클링 공장을 건설을 하여 완공시켜 재황용중이며 현재는 테슬라에서 나오는 폐배터리의 92% 이상을 재활용하고 있으며 100% 재활용을 할 수 있도록 노력중이다. # 배터리 재활용
테슬라는 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 확보할 생각이다.
3.1.3.2. 배터리 구조
16800배터리에서 21700배터리로 용량을 늘리는데에도 힘들었는데 그보다 더 큰 크기의 4680 배터리로 바꾼다면 에너지 용량이 증가한 만큼 열 발생이 증가하고 불용 공간이 늘어난다. 이로 인해 생산을 하는것이 힘들어지는데 이 문제를 테슬라는 배터리의 전극을 외부 단자와 연결 하는 탭을 제거하였으며 탭을 없애고 전극판 자체의 측면을 잘게 잘라서 탭 역할을 하도록 만들어 전극 면적을 늘리고 전자의 이동 경로를 줄여 해결을 하였다. 이로서 전기저항과 열 저항이 감소해 열 배출이 더효과적이 되었으며 배터리 출력또한 향상되었으며 전자 이동이 전극판에 균일하게 분포하기 때문에 전지 수명이 늘어나고, 충전 속도 또한 개선되었다.
또한 셀과 셀 사이에 들어가던 쿨링 시스템이 셀 아래 부분에 냉각 플레이트를 배치하여 구조의 단순화를 시켜 원가 절감을 하면서도 불용 공간 감소또한 시켰는데 이는 위에서 설명한 구조화 배터리(Structural Battery)의 연장이다. 해당 구조를 한 이유가 4680배터리 때문이었다는 것을 역설적으로 알려주는 일인데 이를 통해 테슬라는 배터리를 더 안전하게 장착할 수 있게 되었다.
다만, 양 극판에 탭 역할을 하는 작고 수많은 조각들이 음극과 양극이 서로 맞닿아 쇼트가 나지 않게 하는 것이 중요한데 이 기술은 알려줄 수 없다고 하였기에 우리가 알 수 있는 방법은 없다.
3.2. 파우치 배터리
2023년 5월 18일 LG 에너지솔루션과 협력을 통해 파우치형 배터리를 받기로 하였다. 국내의 언론들은 이를 원통형 배터리에서 파우치형 배터리로 변경을 하는 것이라고 판단을 하였지만, 실상은 테슬라의 에너지산업을 하는데에 사용하기 위해서이다.파우치 배터리는 낮은 생산성, 높은 생산 원가에 상대적으로 원통형에 비해 충격에 약하며 열관리 또한 어렵지만, 가볍고 형태변이가 쉬워서 LG에너지솔루션이 미 애리조나주에서 에너지저장장치(ESS)용으로 파우치형 LFP 생산을 할 계획을 세울 정도라 일정 공간내 다수의 배터리를 집어 넣을 필요가 없고 충격의 위험이 적은 ESS와 에너지 저장 시설인 매가팩에다가 사용할 것으로 보인다.
4. 테슬라 에너지
현재 테슬라 매가팩에는 코발트-free LFP배터리를 사용하고 있다. 이는 중국에서 가장 많이 생산하고 있는 배터리 형태로서 현재 중국에서 생산하는 모델 3/Y 스탠다드 모델에 사용되고 있다. 해당되는 모델3/Y의 경우 한국으로 들어올 예정이다.
5. 자체 생산
테슬라와 파나소닉간의 협업 기간은 상당히 긴 편이다. 2017년도부터 나온 21700배터리에서 파나소닉의 배터리가 거의 대부분이 들어갈 정도로 파나소닉에 의존도가 높은 편이다 다른 회사와도 협업을 하여 삼원계를 사용하는 LG나 LFP를 사용하는 CATL의 배터리를 사용하는 등 배터리 공급처의 대양화와 테슬라 차량의 가격 하락을 추구를 하는등의 일을 하고 있지만, 그것만으로는 부족한 테슬라는 직접 생산하기로 하였다.사실 이렇게 결정을 하게 된 것은 파나소닉과의 협업이 좋은 것만이 아니라는 것을 깨달은 덕분이기도 한데 과거 테슬라는 파나소닉과의 JV(Joint Venture)읍션을 통해 협업을 하였고 현재도 하고 있는 중이다. 또한 다른 자동차 회사들도 이런 방식으로 협업을 하고 있는 중으로서 자동차 제조사는 안정적 공급처를, 배터리 제조사는 안정적 수요처를 확보할 수 있다는 장점이 있으나 테스라는 원할 때 원하는만큼 생산하기 어렵고 파나소닉은 파나소닉대로 추가 생산을 한다고 한들 그것을 빠르게 소모를 하기 힘드는 상황이 벌어지기도 하였다. 2018년 테슬라가 파산의 위험에 도달하자 판가 인하를 요구를 하는 일까지 벌어지면서 파나소닉은 더더욱 보수적인 입장이 되었고 이는 테슬라가 한 기업에 의존을 하는 것이 좋지 않다는 것을 깨닫게 해줌과 동시에 직접 생산을 하도록 만들게 된 원인이 되었다.
테슬라가 배터리를 자체 생산을 할 수 있는 이유는 애플이 하고 있는 M&A방식을 따라하였기 때문이다. 인수(Acquire)와 고용(Hire)을 합친 단어인 어크하이어(Acq-hire) 즉, 인재 흡수를 위한 인수합병을 통해 기술 역량이 있는 개발자들을 인수를 한 것이다. 2021년까지 인수합병을 한 회사중 배터리와 관련된 회사는 다음과 같다. 2019년 건식 전극을 이용한 배터리 제조 기술을 보유한 Maxwell Technologies, 배터리 고속생산 기술을 보유한 Hibar Systems을 인수 했고, 2020년에는 독일의 배터리 모듈/팩 제조사이자 BMW와 다임러에 배터리와 트랜스미션을 공급하던 ATS의 자회사이자 배터리 고속생산 기술을 보유한 ATW Automation을 2021년에는 음극재 친환경 생산 기술을 보유한 Spring Power, 실리콘 음극재 생산 기술을 보유한 Sillion을 인수하였다.[5] 이처럼 테슬라는 자신들에게 부족한 기술이 있고, 기술자가 있다면 M&A를 통해 해결을 하였다.
또한 테슬라는 자체적인 배터리 제작을 위해서 배터리를 제조할 수 있게 만드는 회사들인 엘엔에프와의 협업으로 하이니켈(니켈 함량 90% 이상)을 직접 받거나 여러 광산 회사들과 협업을 하거나 리튬 채굴 업체를 인수를 하여 직접 채굴도 하는 등 다양한 방식으로 테슬라는 자체적인 생산을 하기 위해 노력하고 있다.
이와 같은 일들을 통해 테슬라는 배터리 회사가 먹는 마진을 줄일 수 있으며 테슬라는 원하는만큼 지속적으로 생산할 수 있다.
현재 테슬라처럼 배터리를 자체생산하겠다고 발표한 회사는 폭스바겐, 도요타[6]이다.
6. 테슬라 배터리 기술
테슬라는 과거부터 지속적으로 배터리는 물론, 배터리팩의 기술또한 자속적으로 개선을 해 왔다. 최근에 나온 테슬라 모델 S플래드의 경우 운모 실드는 난연성 플라스틱을 사용 이를 통해 화재의 위험성을 감소시킨다. 해당 배터리팩에는 서로 다른 기술 잗착을 사용한 주물을 사용하여 더 안전하게 만들었으며 배터리를 더 많이 조립을 할 수 있게 용접면접을 늘렸다. 배터리팩에 있는 모든 벨브는 차량용 배터리 관리 시스템에 연결이 되어 있으며 배터리팩의 모듈은 섹션이 나누어져 있어서 문제가 발생시 해결이 용아하게 만들어져 있다.배터리팩에는 열관리 시스템은 기본으로 있으며 습도가 송풍구에서 웨어퍼를 팽창시키면 플런저가 통풍구에서 공기를 방출시키게 하는 역할을 하여 배터리 케이스가 뜨거워지는 것을 방지시키는 역할을 하는 장치도 있으며 냉강수가 배터리 모듈을 통해 흐르도록 하는 커넥터도 존재를 할 정도로 테슬라가 하는 열관리는 상당히 복잡하게 되어 있다.
테슬라는 모델 S 플래드에서 배터리 아키텍처를 변경하였는데 배터리 전면에는 두개의 모듈이 있었지만 온보드 충전기를 수용하는 하나의 모듈만 존재를 하여 이전보다 더 많은 배터리셀을 탑재할 수 있도록 만들었다. 덕분에 이전에는 7,104개의 전지로 85 KW였지만 현재는 7,920개의 전지로 100kW를 달성하였고, 이로 인해 배터리 팩의 효율은 157wh/kg에서 181.5kkh로 15%넘게 향상되었다.
컨트롤러 보드는 모델 Y의 2개에서 1개로 줄이고 크기는 축소시켰다. 여기서 테슬라의 호환성과 비용감소를 위한 부분을 엿볼 수 있는데 모델 Y와 S의 컨트롤러 보드의 모습이 매우 흡사하게 되어 있다. 열전달을 돕는 화합물을 모델 S에선 1개로 감소를 시켜 최종적으로 부품의 무게를 1.4KG을 줄였으며 더 좋은 부품을 사용할 수 있게 공급 업체도 변경하여 해당 부품이 적게 들어가도 더 안정할 수 있도록 만들었다. 또한 퓨즈를 몇개 더 추가를 시켰으며 트랜스포머의 개수도 2개에서 4개로 증가를 시켜 전력을 더 공급을 시키면서도 더 안전하게 만들었다.
이처럼 테슬라는 현재에 머물지 않고 지속적으로 효율성을 증가시키고 비용을 감소를 시키는 것에 초점을 맞추어 나아가고 있다.
참고로 모델 S는 물론 모델 S 플래드는 18650배터리를 사용하고 있고, 모델 3,모델Y는 21700배터리를 사용한다. 그리고, 테슬라 세미트럭, 사이버 트럭은 4680배터리를 사용하고 있으며 향후 4680배터리는 모델 Y등 기존 모델에도 사용될 예정이다. [7]
2019년 기준 테슬라가 가진 기술 특허는 617건으로 이중 437건 70%가 과열방지와 충전과 관련된 특허이며, 전체적으로 보면 75%가 배터리 관련된 특허일 정도로 테슬라는 배터리를 어떻게 하면 문제없이 사용할 수 있는지를 매번 연구를 하고 있다. 2010년부터 2020년까지 10년간 내놓은 특허에서 986개의 특허군에 세계적으로 3,304개의 특허를 출원시켰으며 31.3% 1위로 에너지 생성 및 저장분야였으며 배터리 기술은 263개 특허를 출원하면서 2위를 하였다.
이는 현재는 전기차 판매를 주로 하는 회사이지만, 향후에는 전기 발전과 전기 저장을 하고 그것을 자율주행을 하는 전기차가 이용하는 에너지 기업을 꿈꾸고 있다는 것을 꿈꾸고 있다는 것을 의미한다.
7. 소프트웨어와 하드웨어 기술 및 업데이트
OTA라고 불리는 이 소프트업데이트는 네비게이션개선뿐만이 아니라 OS와 관련된 부분 그리고, 주행과 관련된 모든것에서 관여를 하는데 이때 테슬라는 배터리 관린 기술또한 OTA를 통해 업데이트를 한다. 해당되는 기술을 통해서 테슬라는 배터리 온도를 잘 관리를 하는지 알고리즘을 바꾸면서 더 오랫동안 배터리를 사용할 수 있도록 하며, 조금이라도 주행거리를 늘릴 수 있는 방법을 찾아 업데이트를 한다. 이는 OTA를 자동차 회사중에서 가장 먼저 사용하여 그것이 무엇인지 이해하고 있으며 잘 알고 있기 때문에 가능한 것이다. 또한 2020년 12V 배터리와 관련된 문제 해결나 충전속도 상승 업데이트처럼 또한 보통이면 하드웨어 문제로 생각한 것들도 소프트웨어 업데이트로 해결한 경우가 있다.또한 전기차의 차를 타고 다니는만큼 경우 배터리 관련 하드웨어 기술도 상당히 중요하다. 배터리 회사에서 만든 배터리를 넣고 몇가지 하드웨어만을 넣는다고 한들 그것만으로 배터리가 오래 가고 충전을 잘 할 수 있을 것이라고 생각하면 안된다. 이를 위해서 테슬라는 지난 15년간 여러 특허들을 내놓았는데 그중 배터리와 관련된 주된 기술들은 다음 같다.고속 충전 기술, 배터리 스왑 기술[8] 배터리 팩 충전 시스템,배터리 냉각 시스템, 배터리 화재 방지 시스템, 배터리 모듈 모니터링 시스템[9], 저온 상태에서 배터리 효율성 향상 기술[10] 리튬이온 배터리 수명을 감소시키는 요인인 예외 상황을 처리하는 기술[11] , 그리고 통합형 열관리시스템 옥토밸브[12]등이 있다. 하지만 이러한 기술만으로는 겨울에 주행시 주행 거리가 줄어드는 문제를 크게 개선하기는 힘들었다. 그렇기에 테슬라는 2020년이후 나온 모델3/Y를 기점으로 테슬라는 히트펌프라는 것을 추가하여 해결을 하였다.
[1] 국내에서 배터리 호스가 망가져 배터리셀에 문제가 발생하여 배터리팩 모두를 교체해야 하는 일이 발생하였는데 신규 플랫폼을 사용 시 해당 문제로부터 자유로워진다. 테슬라 모델3 & Y 배터리팩 교체 비용은 1만 6,000달러이며 모델S & X의 경우 2만 달러이다.. 다만 해당 비용은 원통형 배터리를 사용함으로 인해 싼 편이며 현대자동차의 경우 가격이 최하 2,400만 이상이다.[2] 원통형이 충격에 가장 강한 이유는 개수때문이다. 단단함은 각형이 더 단단하다.[3] 즉, 원통형 배터리를 사용한 전기차에서 화재가 발생시 파우치형 배터리를 사용한 차량에서 배터리에 화재가 발생시와 비교하면 차량에서 빠져나갈 수 있는 골든타임 시간이 수십배는 늘어나며 차량 화재 가능성도 그만큼 낮아진다.[4] 세대가 높아질수록 니켈 & 실리콘 증가를 통한 에너지 밀도 증가[5] 그 외 인수한 회사로는 독일의 자동차 생산 장비 제조사 Riviera Tool, 독일의 자동차 생산 장비 제조사 Grohmann Engineering, 태양광 시스템 Solar City, 공정 자동화 장비를 만드는 Perbix와 Compass Automation, AI나 자율주행과 관련된 Deep Scale이다.[6] 전고체 배터리[7] 4680배터리 3세대까지 올라가면 모델 S의 경우 최대 1회 충전당 주행거리는 750KM까지 올라간다.[8] 해딩 기술과 관련된 특허는 미국에만 있다. 중국 자동차 니오는 특허 출원이 안 된 중국에에서 테슬라가 비용 문제와 여론의 문제로 인해 중단된 시스템을 도전하고 있다.현재 해당 충전기 설치 비용은 6억원 이상[9] 배터리 상태를 매번 확인하고 각기 배터리마다 충전율을 달리해서 배터리 상태를 유지시키는 시스템, 해당 기술을 사용시 이론상 테슬라 자동차는 20년을 타야 배터리 상태 80%가 된다 국내 자동차와 비교시 월등히 오래 탈 수 있다.[10] 해당 기술만으로는 부족하니 히트펌프같은 것이 있다[11] 배터리 고출력 충전으로 인한 충전과 방전으로 인한 수명의 감소나 배터리 전압의 문제등을 감지하여 개선 시킬 수 있도록 하는 기술.[12] 해당 부품을 통해 배터리의 열관리를 소프트웨어로 분석을 하고 업데이트를 할 수 있게 되었다. 여러 낭비가 심한 것들을 해결하였으며 이것이 상당히 좋다는 것을 안 다른 부품 업체인 덴소나 마렐리(Marelli)가 2025~2026년에 실용화 할 수 있도록 목표로 삼고 있다.