[2차전지] 테슬라 4680 배터리 핵심 기술들

4680 배터리 성공에 필요한 기술들

 

4680 배터리는 음극부분에 탭을 모아놓은 형상으로 기존 2170 대비 에너지는 5배, 주행거리는 16%증가, 파워는 6배가 향상되는 기술적인 목표를 가지고 있었다. 이렇게 원형 배터리가 고성능화된다고 하면 앞으로 4680배터리 사용량은 급증할 것으로 보인다. 

 

그렇게 된다면 리튬이온 배터리 시장이 점점 커질 것으로 예상된다.  특히 전기차의 용도가 점점 증가할 것으로 보는데 여기에서 핵심적인 원형 배터리 규격이 4680 배터리가 될 것으로 본다. 

 

테슬라 배터리데이에 나온 기술들- 배터리 가격, 셀디자인, 음극재, 양극재 기술, Cell을 자동차에 장착하는 기술, Cell 공장에서의 생산성과 같은 기술들-이 모두 적용된 결과 배터리의 가격을 낮추기 위해 4680기술이 소개되었다. 

 

4680 배터리의 기본적인 형태는 결국 크기이다. 상부에 지름이 18mm->21mm->46mm까지 커지는 것이고 길이도 65mm->70mm->80mm까지 전체적으로 사이즈가 커지는 것이 4680배터리인 것이다. 

테슬라의 배터리 사양을 보면 최초 모델인 2012년 모델S는 18650이 주력이었다. 지금도 소형배터리의 주력은 18650이고 전기차로 접어들면서 모델 3에 21700 규격이 들어갔다.  이 형태는 계속 유지되다가 최근 2022년, 23년부터 본격적으로 4680 cell이 사용될 것으로 보인다.  

이렇게 배터리 cell이 커짐에 따라 가장 특징적인 것은 주행거리 레인지(Range)이다. 초기에는 259에서 4680으로 가면 400까지 증가할 것으로 보인다. 배터리의 효율도 3.35에서 5이상까지 증가할 수 있게 된다. 사이즈가 커짐에 따라 배터리의 용량도 점점 증가하고, 에너지 밀도가 높아지며, 용량당 코스트-가격이 점점 낮아지는 효과가 나타나게 된다. 18650 대비 두배 이상의 효율로 극대화하게 되는 것이다. 

위 그림은 (실험실에서)원통형 배터리를 생산하는 방식을 나타낸 과정이다.- 양산에서도 이와 비슷한 구조로 되어 있음. 

원소재에서부터 극판을 만드는데 극판을 만드는데까지는 4860이라고 해서 특별한 기술이 들어가는 것이 아니다.  4680 기술에서 가장 중요한 것은 Tabless 기술이다. 원통에서 튀어나온 부분이 탭(TAB)이다.(8위치)  탭을 마이너스 부분 플러스 부분을 용접해서 젤리롤을 셀 안에 넣고 난 후 최종 패킹하는 이 기술에서 4680이 기존의 기술과 차이점을 가지고 있다. 

 

 

구조를 이해하기 위해 위에서 보면 플러스탭과 마이너스탭이 있다. 

 

탭은 일반적으로 극판에 용접이 되는 방식인데 4680은 탭리스(Tabless)라고 해서 탭(Tab)이 없는 방식이다. (그러나 정확하게 확인이 된 것은 아니다.)

탭을 용접하는 방식은 기업별로 차이가 있다. 탭리스 기술의 기본적인 핵심은 용접부위와 탭을 없앤다는 것이다. 탭을 없애는데는 여러가지 이유들이 있다. 탭을 용접하는 과정에서 Burr라던지 각종 이물이 발생하여 배터리 내부 쇼트를 유발하는 화재의 원인이 되기도 한다. 또, 용접 부위를 용접하기 위한 공정들 자체가 관리하기 쉽지 않은 기술들이기 때문이다. 

극판을 젤리롤로 만들고 나서 원형캔에 들어가는데 캔은 하부에 막혀있고 위가 뚫려 있는 부품이다. 상부에는 cap이라는 부품이 들어간다. 

베를린 공장 설계도를 보았을 때 Cav Stamping공정이 따로 있는 것을 보면 자체적으로 캔을 생산하려는 의도가 있는 것으로 보인다. 캔스탬핑 자체는 기술적인 난이도가 높지는 않으나 생산을 위한 원가 경쟁력이 관건이 된다. 일반적으로 다른 원형 셀 제조업체들은 캔을 자체적으로 생산하지 않는다. 하지만 테슬라는 자체적으로 생산하려는 의지가 강한 편이다. 

상부의 캡 부품은 상당히 복잡한 부품이다.

대표적인 기업인  LG, 파나소닉, 산요, 삼성의 상부 Cap 기술은 약간씩 차이가 있다. 상당히 복잡한 구조로 되어 있고 여기에서 다양한 안정성을 위해 필요한 구조나 외부에 전기를 연결하는 구조를 가지고 있다. 

좀 더 자세히 보면 상부의 Top, PTC, Vent, CID, Gasket, Can이 구성된 구조로 되어 있다. 탭은 그림과 같은 방식으로 상부에 용접이 되게 되어 있다. 

더 간단한 그림으로 보면 탭이 상부에 용접되어 있고 윗부분에 CID같은 안전장치들이 들어가 있는 구조이다. 이 구조는 18650, 2170,4680까지 거의 비슷한 구조로 되어 있을 것으로 보고 특별한 기술차이가 없을 것으로 예상된다. 

4680의 특징적인 부분은 꽃무늬같은 극판의 형태이다. 이 형태를 어떻게 만들고 Cap과 어떻게 용접할꺼냐가 중요한 생산기술이 될 것이다. 

4680의 이러한 구조는 결국 배터리 내부의 열을 어떻게 빼낼 것인가? 상부하부 탭을 어떻게 붙일 것인가?와 같은 점이 기존 원형배터리와 차이점이 될 것이다. 

이 구조가 나타나는 형태를 유추해보면 극판의 음극이 튀어나와 있는 부분이 접힌 꽃모양처럼 바뀌게 된다. 

 

다양한 사례 분석자료를 통해서 유추해 보면

 기존의 Tap형태는 양극과 음극에 한개씩 튀어나와 있는 이런 방식이고 - Single tap-상부에 Tap이 여러개가 튀어나와 있는 방식을 Multi tap이라고 한다. 이러한 멀티탭이 현재 4680의 형태이다. 멀티탭을 쓰면 전류의 흐름이 한쪽으로 모이는 것이 아니라 여러 방향으로 전류가 흘러 분산하게 된다. 이런 방식으로 열을 분산할 수 있게 된다. 

2170은 전류가 한쪽으로 쏠려서 집중되는 쪽에 열이 집중되게 된다. 4680은 모든 경로에서 열이 분산되어서 전체 영역에서 열을 분산하는 구조로 바뀌게 되는 것이다.

4680과 같이 tab을 여러개로 늘리는 방식은 새로운 방식은 아니다. 기존에 많이 알려진 방식인데 이것을 원형배터리에 적용한다는 것이 의미가 있다. 

탭을 여러개 사용하였을 때 온도와 전류의 밀도를 보면 싱글탭인 경우는 한쪽에 몰리게 되고 올탭이 되면 열이 분산되게 된다. 탭을 여러개 만들면 배터리 내부에 온도 관리에 용이하게 된다. 

기존 방식에서 tab을 양극과 음극에 하나씩 붙여야하는 부분이 있는데 이것이 없어지고 4680 배터리에서는 극판에 탭을 만든다. 여러개의 탭을 만들어 와인딩하게 되면 오른쪽과 같은 형태가 나타난다. 탭이 없어지고 용접이 없어지지만 극판의 형태를 멀티형태로 만들어야되는 notching 기술이 필요하게 된다. 

테슬라의 4680 특허를 보면 양극부분에 cathode tab이 있는 것으로 되어 있고 음극부분은 도전성 스트립(conductive strip)이 들어가 있는 구조로 되어 있다. 이 형태가 지금 4680에도 적용되어 있는지는 확인되지는 않지만 비슷한 기술이 들어가 있을 것으로 본다. 젤리롤을 만들고 나서 원형캔에 삽입하는 과정이 4680의 컨셉으로는 그냥 삽입만하면 간단하게 조립되는 방식으로 설명을 하였다. 하지만 특허에서 언급된 부분인 하단 부분과 402 부분이 전기가 통하는 부분이기 때문에 용접이 되어야 한다. 아랫부분이 용접없이 된다고 하면 가장 간단하게 생산할 수 있게 된다. 하지만 안된다고 한다면 용접을 할 수 있다고 언급하고 있다.  레이저나 초음파를 통해서 용접이 될 수 있다. 

용접을 하지 않기 위해서 이 402의 구조들을 다양한 방식으로도 소개되었다. 앞으로 4780배터리를 분해해보면 정확하게 알 수 있을 것이다. 이 부분은 얼마나 원가를 절감하는 방식으로 대량생산을 할 수 있는가가 중요한 제조기술의 하나가 될 것으로 본다. 

베를린 공장의 구조를 보면 tab을 용접하는 공정이 상당히 많은 포지션을 잡고 있음을 확인할 수 있다. 

 TABLESS PRODUKTION이라 되어 있고 완전자동화가 실현되기 어려운 구조로 되어 있어서 사람이 배치되어 있는 모습으로 표현되어 있다. 

 

4680 배터리 기구 부분을 정리해보면

1. 극판의 노칭을 만드는 설비가 추가로 들어가게 된다. 기존에 18650, 2170에 없는 구조이다. 

2. Conductive Strip, 새로운 소재(material)-도전성 소재-가 들어간다면 이 소재도 추가돼야한다. 

3. 하단부 용접, 설비는4680 구조가 기존구조와 다르게 되어 있기 때문에 조금 복잡할 것으로 보인다. 아니면 도전성 접착제를 사용한다는 말도 있는데 용접을 사용하지 않고 다른 방식으로 하기에는 어려울 것으로 보인다. 

 

소재중 양극재, 음극재 부분을 알아보면

테슬라 배터리, 파나소닉이 설계한 배터리가 지금까지도 상당히 에너지 밀도가 높은 배터리였다. 다른 기종들 르노, BMW, 현대자동차에 들어갔던 양극재들의 수준은 니켈 함량이 60%, 70%수준이었다. 지금은 80, 90%도 들어가지만 테슬라는 모델3와 모델S부터 NCA 니켈 80%정도를 썼다고 추정이 되고 있다. 니켈 80% 수준에서 모델3가 완성되었기 때문에 4680은 이것보다 더 높은 양극재, 음극재 사양이 들어가야한다. 그렇게 되어야지 에너지 밀도도 높이고 주행거리를 늘릴 수 있게 된다.

그래서 4680의 양극재는 NCMA로 공개하고 있다.  에너지 밀도는 니켈 함량을 높여야되는데 기존 NCA 80%보다 높여야하기 때문에 90%까지 증가사킬 것으로 본다.  NCA89, NMC89, NCMA89의 초기용량, 수명, 열안정성 등을 비교해보면 가장 성능이 좋은 것을 확인할 수 있다. 그리고 가격 면에서도 코발트 함량을 줄일 수 있기 때문에 원가 측면에서도 NCMA구조가 가장 유리함을 확인할 수 있다.  앞으로 삼원계 양극재는 NCMA에 니켈 함량 90%가 거의 한계이고 이 형태가 삼원계에서는 가장 고성능의 양극재로 사용될 것으로 본다. 

 

파나소닉이 2017년에 모델3에서 2170 NCA를 도입했다. 18650에 비해 에너지 밀도를 5% 향상시키고 코발트 함량도 감소시켰다. 2170이 나오면서 모델3가 나왔고 전기차 시대를 여는 기술 중 하나가 된 것이다. 4680에서는 에너지 밀도를 20%까지 높이고 코발트를 없애는 것이 목표이다.

동시에 음극재 부분은 실리콘의 함량을 늘리는 방향으로 계획되고 있다. 테슬라 배터리데이에서 앞으로 음극재 실리콘 향량을 20%까지 늘리겠다는 목표를 이야기 했다. 이렇게 되면 실리콘 음극재의 사용량이 급증하게 될 것이다. 2170에서의 실리콘 함량은 정확하게 공개되어 있지는 않다. 추정을 하자면 모델3에 5% 정도 들어간 것으로  예상이되고  4680에 들어가면 함량을 점점 늘려서 5년이내 20%까지 늘리겠다는 것이 목표이다. 실리콘 함량도 높이면서 고속 충전도 만족시켜야한다. 이렇게 하기 위해서는 도전재의 성능도 높여줘야한하는데 탄소나노튜브가 대상이 될 것이다. 

 

4680 소재 부분을 정리하면

1. 양극재 : NCA에서 NCMA로 변경된다. 

2. 음극재 : 실리콘 함량을 5%에서 20%까지 늘리겠다. 산화실리콘에서 카본실리콘으로 바뀌는 부분도 예상될 수 있는 일

3. 고속충전을 위해 도전재를 양극, 음극에 사용할 수 있고 도전재의 구조는 기존에 멀티 구조에서 앞으로 싱글 구조로 바뀔 수 있다. 

4, 전해액 및 첨가제의 기능도 중요해진다.(LiFSI)

 

양극재 음극재 부품들은 현재 외부에서 가지고 오지만 앞으로는 자체적으로 테슬라가 생산하려고 하는 준비도 하고 있다.

- 택사스의 양극재 공장(Project Cathode)

원소재 확보까지도 진행하고 있는데

- 천연 흑연은 호주 Syrah Resources

- 수산화리튬은 중국 간펑리튬

- 니켈은 Talon Metal, Prony Resources and BHP(다양한 소스를 통해 확보)

- 리사이클은 Redwood(앞으로 확보하려는 움직임을 보여주고 있다)

 

Pack 부분을 살펴보면(아래 그림이 실제인지는 정확하지는 않다.)

특징적으로 보이는 것은 냉각부분이다.

이 형태는 셀 주위에 흐르는  냉각수 부분을 표현한 것으로 보인다. 냉각수가 들어갔다가 이 형태를 통해서 나오는 방식이다. 특별한 기술적인 요소로 보기는 어렵다. 

 

전기 연결은  플러스 마이너스 연결하고 기판은  BMS를 표현한 것인데 특별한 기술적 요소는 없어 보인다. 

테슬라가 언급한 것 중에  배터리셀을 전체적으로 냉각하는 것도 있었다. 

Immersion-Cooling 배터리 기술들이 다양하게 현재 연구되고 있다. 앞으로 4680셀에서 적용되기 쉬운 구조일 수도 있다. 이런 경우 쿨링을 하기 위한 비전도성 냉각물질이 필요할 것이다. 이런 기술도 테슬라 외 배터리기술에서 다양하게 적용될 것으로 보인다.

 

 

 

https://youtu.be/0C9bxPEwCkA