* 모든 내용은 테슬라 배터리 데이의 유튜브 영상, 관련 미국 영문 기사, 인터넷 자료들을 바탕으로 번역하고 정리한 것으로 번역시에 오류가 있을 수 있습니다. 정확한 내용 확인을 원하시는 분들을 위해 참고한 웹 페이지들 주소를 하단에 링크 걸어 두었습니다. 이 점 감안하고 읽어주시면 감사하겠습니다.
배터리 데이 행사(Tesla Battery Day)에서 테슬라는 자체 개발한 새로운 4680 배터리 셀(4680 battery cell)과 그 뒤에 숨은 제조 공정을 공개했습니다.
CEO 일론 머스크 (Elon Musk)는 배터리에서 코발트를 제거하기 위한 회사의 노력과 200mph의 속도에 도달 할 수 있는 모델 S용 새로운 플레이드 파워트레인(Plaid powertrain), 배터리를 합리화 하기 위한 새로운 음극 제조 시설 등을 발표했습니다. 그리고 새로운 배터리 기술로 테슬라가 $25,000 USD 달러의 자동차를 만들 것이라고 말했습니다.
많은 기대를 받았던 배터리 비용에 대해서는 3년 안에 50% 이상 절감하기 위해 필수적인 재료 과학, 디자인 및 제조 혁신의 모든 부분에 대해 자세히 설명했습니다.
지난 몇 년 동안 테슬라는 배터리와 관련하여 많은 움직임을 보이고 있습니다.
Maxwell과 Hibar와 같은 회사를 인수하고 탭리스(꼭지가 없는) 배터리 셀(a tabless battery cell)과 셀 투 팩 디자인(a cell to pack design)과 같은 새로운 기술에 대한 특허를 신청하는 것에 대해 이야기 하였습니다. 이 모든 움직임은 대부분 테슬라 자체 장점으로 평가되었지만 이러한 모든 것이 어떻게 결합 될 것인지는 명확하지 않았습니다.
다음은 테슬라의 2020년 배터리 데이의 주요 요점입니다.
"탭리스 배터리 셀은 테슬라의 주행 거리를 향상시킬 것입니다."
TABLESS BATTERY CELLS WILL IMPROVE TESLAS'RANGE
테슬라는 자체 "탭리스(tabless)" 배터리를 제조 할 계획이며 이를 통해 차량의 주행 거리와 출력을 향상시킬 수 있습니다. 새로운 배터리는 자체 생산 될 것이며 머스크는 이를 통해 비용을 절감하고 테슬라 전기 자동차의 판매 가격을 가솔린 자동차에 더 가깝게 만들 것이라고 발표했습니다. 전기 자동차의 배터리 팩을 측정하는 데 사용되는 주요 지표인 킬로와트 시간당 비용을 낮출 것으로 예상됩니다. 테슬라가 4680 셀 (4680 battery cell)이라고 부르는 탭리스 셀 (테슬라가 배터리와 전원을 연결하는 배터리의 꼭지 부분을 제거하고 있습니다.)은 배터리를 6배 더 강력하게 만들고 주행거리를 16 % 늘릴 것입니다. 테슬라는 현재 파나소닉으로부터 배터리를 공급 받고 있으며 한동안 계속 그렇게 할 것 같지만, 자체 배터리 생산은 머스크가 해내야 할 일입니다. 2018 년에는 이러한 셀의 부족으로 인해 생산이 지연되었습니다. 머스크는 "파나소닉의 배터리 생산 속도가 모델 3과 모델 Y의 생산 속도를 늦추었다." 고 말하였습니다.
"MODEL S PLAID의 가격은 $139,990이며 2021년에 출시됩니다."
MODEL S PLAID WILL COST $139,990 AND BE AVAILABLE IN 2021
주행 거리는 520마일, 0 ~ 60mph에서 2초 이내, 최고 속도는 200mph입니다. 가격은 테슬라 웹 사이트에 $139,990 USD 로 나와 있습니다. 머스크는 과거에 Plaid 트림 레벨이 “현재 제품보다 더 많은 비용이 들 것”이라고 지적했습니다. 2021년 말 모델 S에서 사용할 수 있습니다.
"종국에는 새로운 음극 공장이 온다."
A NEW CATHODE PLANT IS COMING... EVENTUALLY
머스크는 테슬라가 공급망 비용을 줄이고 음극 생산을 단순화 하기 위한 노력의 일환으로 북미에 배터리를 위한 새로운 음극 공장을 건설 할 것이라고 말했습니다. 또한 음극을 76% 더 저렴하게 만들고 폐수가 전혀 생기지 않는 공정으로 개선하고 있습니다. 니켈 공급이 적어 양극 재료를 다양화 할 계획입니다. 새로운 음극 공장이 어디에 건설 될지는 모르지만, 머스크는 테슬라가 차기 공장이 텍사스의 오스틴(Austin, Texas)에 있을 것이라고 발표한 7월에 향후 프로젝트를 위해 오클라호마 주, 털사(Tulsa, Oklahoma), 2 위 도시를 강력하게 고려할 것이라고 말했습니다.
"음극에 더 이상 코발트 없을 것이다."
NO MORE COBALT IN THE CATHODES
테슬라는 음극에서 코발트(Cobalt)를 사용하지 않을 계획입니다. 테슬라의 기존 배터리에서도 코발트를 거의 사용하지 않았었지만 과거에는 완전히 제거하고 싶다고 말했습니다. 코발트는 종종 인권을 침해하는 조건과 환경에서 채굴 되기 때문에 이를 대체할 다른 물질을 찾아야 한다는 압박을 받고 있습니다. 머스크는 회사가 코발트 사용을 중단할 시기에 대한 일정을 제시하지 않았지만 배터리를 훨씬 더 저렴하게 만들 것이라고 말했습니다. "사람들이 실제로 살 수 있는 차를 만드는 것이 절대적으로 중요합니다."라고 그는 말했습니다. "적정한 가격은 성장의 핵심입니다." ("Affordability is key to how we scale.")
"$25,000 자동차는 새로운 목표입니다."
A $25,000 CAR IS A NEW GOAL
Tesla는 25,000 달러의 전기 자동차를 만드는 최종 목표로 배터리 셀과 팩의 비용을 줄일 계획입니다. 테슬라는 새로운 "탭리스" 배터리 셀을 사용하여 목표를 달성할 것이며 셀 내부의 재료를 변경하여 테슬라가 킬로와트 시 당 가격 (the price per kilowatt-hour)을 "반"으로 줄일 수 있을 것이라고 말했습니다. 머스크가 테슬라 전기 자동차 비용을 극적으로 줄일 것이라고 예측 한 것은 이번이 처음이 아닙니다. 그는 2018 년에 $25,000 달러의 EV를 처음 약속했는데, 3년 안에 가능하다고 말했었습니다.
그럼 테슬라 배터리에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보겠습니다.
테슬라는 배터리의 5가지 주요 측면에서 어떻게 크게 개선되었는지에 대해 설명했습니다.
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셀 디자인, 특히 폼 팩터(Cell design, specifically form factor)
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제조 혁신을 통한 배터리 셀 공장 설계(Battery cell factory design with manufacturing innovations)
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새로운 양극재(New anode materials)
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새로운 음극재(New cathode materials)
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새로운 배터리 팩(New battery pack design)
셀 디자인, 폼 팩터
Cell design, specifically form factor
원가 14% 절감
폼 팩터 변화(4680 원통형)를 통한 에너지 및 파워를 5~6배 향상하고, 주행거리도 16% 늘릴 것입니다. 또한 배터리에 꼭지가 없는 탭리스(Tabless) 기술을 함께 적용하여 충전시간도 혁신적으로 단축 가능해 졌습니다.
제조 혁신을 통한 배터리 셀 공장 설계
Battery cell factory design with manufacturing innovations
원가 18% 절감
2019년 인수한 Maxwell의 건식 전극 기술을 도입하여 제조공정 효율성을 높이고 개선 사항이 구현되었습니다. 파우더를 필름으로 만드는 공정은 훨씬 덜 복잡하며 전극을 만드는 데 일반적인 습식 공정보다 적은 기계가 필요합니다. CEO 일론 머스크(Elon Musk)는 프로세스가 여전히 "완전히 작동하지는 않지만 거의 작동하고있다"고 언급했습니다.다만 실제 양산까지는 코팅 기술 등 다양한 한계점이 존재한다고 언급했습니다. 조립 단계에서 현재 제조되는 것보다 라인당 7 배의 출력을 제공 할 수 있는 초고속 조립 프로세스를 달성하기 위해 모든 기계를 재설계 하였습니다.
새로운 양극재
New anode materials
원가 5% 절감
실리콘 음극재. 부피 팽창과 가격의 단점을 보완하기 위해 원재료(MG-Si)부터 표면 코팅, 전극 디자인 등 활용하여 자체 생산할 것입니다. 가격은 1.2달러/KWh로 Si-NW(나노와이어, 10달러/KWh 이상) 대비 비용을 대폭 절감할 수 있습니다.
새로운 음극재
New cathode materials
원가 12% 절감
니켈 극대화, 코발트 제거(Free). 니켈이 에너지 밀도와 가격 측면에서 유리하기 때문입니다. 다만 하이-니켈 외에도 Iron(철), 니켈-망간 등 3가지를 유지할 계획입니다. (상대적으로 Iron의 경우 ESS나 중거리에 적합하다고 판단하고 있습니다.)
새로운 배터리 팩
New battery pack design
원가 7% 절감
날개 내부에 연료 탱크를 만드는 대신 비행기 날개를 연료 탱크로 만드는 항공 우주 혁신에 영감을 받아 테슬라는 앞뒤 차체 하부를 연결하는 차체 구조 역할을하는 배터리 팩을 만들기로 결정했습니다. 그들은 그것을 "구조적 배터리 (structural battery)"라고 부르는데, 이는 배터리가 단순한 에너지 장치가 아니라 차량의 실제 구조적 부분임을 의미합니다. 이는 또한 대형 주조에 대한 테슬라 구축 전문 지식을 통해 달성되었으며, 먼저 Model Y의 후면 하부를 통해, 그리고 대형 주조를 가능하게 하는 새로운 합금을 개발해온 테슬라의 재료 과학 팀을 통해 달성되었습니다. 테슬라 측은 새로운 디자인이 전체 차량 질량을 10% 줄이고 주행 거리를 14% 늘렸다고 믿습니다.
이 모든 것을 결합하여 테슬라는 kWh 당 비용을 56 % 절감하여 배터리 비용을 획기적으로 향상 시켰습니다.
가장 인상적인 것은 이러한 모든 혁신이 함께 작동하는 방식입니다. 각각의 결과로 배터리 기술이 점진적으로 개선되지만 함께 결합하면 획기적인 수준의 성능과 비용을 얻을 수 있습니다.
배터리 셀에서 심플하게 문제를 해결한 점은 셀을 더 크게 만드는 것이었습니다. 원통형 셀을 더 크게 만들면 열 문제가 발생하지만 테슬라는 저항이 훨씬 적은 탭리스 배터리 셀(a tabless battery cell)을 설계하여 문제를 해결할 수 있었습니다.
현재 Tesla의 경우 약 110 달러 / kWh로 추정되는 배터리 비용을 절반으로 줄이면 현재 테슬라는 kWh 당 약 50 달러가 될 것입니다. 즉, $25,000 차량용 50kWh 팩은 $2,500에 불과합니다. 이는 원래 Model S에 들어간 더 큰 배터리 비용의 10 분의 1에 해당합니다.
전 세계가 주목하던 '전고체배터리'나 '주행수명 100만 마일(156만㎞)' 배터리에 대한 발표는 없었습니다.
더 큰 그림을 볼 뿐만 아니라 기존 퍼즐 조각을 버리고 처음부터 자신의 퍼즐 조각을 설계하여 조립하는 매우 복잡한 퍼즐과 같습니다. 이 모든 것이 테슬라에서 엄청난 양의 작업을 진행해 왔음을 알 수 있습니다. 앞으로 테슬라가 해결해야 하는 과제들이 많습니다. 프레젠테이션 중에 놀라운 이야기들도 많았지만 모든 것을 완전히 파악하지 못한 이야기도 많았습니다. 테슬라는 파일럿 플랜트를 완공하기까지 아직 1년이 남아 있습니다. 10GWh의 계획된 용량은 실제 파일럿 플랜트(pilot plant) 볼륨이 아닙니다. 이는 오늘날 전 세계 대부분의 배터리 공장보다 더 많은 양입니다. 테슬라가 배터리 데이에서 발표한 모든 것을 완전히 이행할 수 있을 때까지는 시간이 걸릴 것 같습니다.
참고 자료 Reference:
Tesla unveils new 4680 battery cell: bigger, 6x power, and 5x energy by Fred Lambert
https://electrek.co/2020/09/22/tesla-4680-battery-cell-bigger-power-energy/
Tesla unveils battery puzzle pieces of smart material science, design, and manufacturing innovation by Fred Lambert
https://electrek.co/2020/09/23/tesla-battery-puzzle-innovation/
Here are Tesla’s biggest announcements from Battery Day by Kim Lyons
Here's What Tesla's Tabless Battery Promises by Jay Ramey
https://www.autoweek.com/news/technology/a34124027/heres-what-teslas-tabless-battery-promises/
배터리 데이, 테슬라가 그리는 방향성만 재확인..한국 2차전지 긍정시각 유지 by 장태민 기자
https://cnews.fntimes.com/html/view.php?ud=202009240758507999d94729ce13_18
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