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테슬라 배터리 데이, 새로운 4680 규격 배터리 셀 공개! (5배 용량, +16% 주행거리 증가, 6배 파워)

위 이미지를 클릭하시면 계속 업데이트되는 테슬라 정보 총망라

'테슬라 오너가 알려주는' 시리즈를 보실 수 있습니다.

https://www.tesla.com/ko_kr/2020shareholdermeeting

테슬라 배터리 데이가 드디어 개최되었습니다.
발표가 끝나고 생각보다 빈 깡통이 요란하다는 이야기들이 많이 올라오곤 하는데, 제가 주목한 것은 배터리입니다.
'배터리' 데이니까 '배터리'에 주목해야겠죠 :)

 

출시된지 꽤 된 테슬라 모델S와 모델X는 18650의 원통형 배터리 규격을 사용하고 있습니다.
여기서 18650이란, 앞부분의 18이 18mm, 뒷부분의 650이 65.0mm로 원통형 배터리의 지름*높이 Size를 의미합니다.

여러 메이커의 18650 원통형 배터리 제품들

테슬라 초창기 이미 대중적으로 널리 사용되는 18650 규격의 배터리를 수없이 많이 묶어서
BMS(배터리 관리 시스템)으로 컨트롤하는 기술을 도입하여 전기차의 대중화를 이루어낸 것이 테슬라였죠.

테슬라 속의 수없이 많은 배터리들 https://qnovo.com/peek-inside-the-battery-of-a-tesla-model-s/

테슬라는 더 큰 출력과 배터리 밀도를 달성하기 위해 모델3부터는 2170 규격의 원통형 배터리를 사용하게 됩니다.
다른 전기차 회사들은 전용 파우치 스타일의 배터리 셀을 사용하는데, 테슬라는 여전히 다른 행보를 걷죠.

모델3에 적용된 2170 배터리는 이름처럼 지름 21mm에 높이 70mm Size의 원통형 배터리를 의미합니다.
배터리 사이즈가 커지면서 50% 더 많은 에너지를 담을 수 있게 되었습니다.
이건 단순히 배터리 크기가 커졌으니 당연한 결과기도 합니다.

재밌는 것은 18650 배터리의 경우 끝에 '0'이 붙는데, 2170은 끝에 '0'이 또 붙지 않죠.
이에 대해 엘론 머스크는 배터리 데이에서 다음과 같이 재밌는 말을 합니다.

"아무도 나에게 왜 마지막에 0이 붙는지 설명하지 못했다. 그래서 아무도 설명할 수 없는 0을 삭제하였다"

이렇게 2170 배터리로 바꾸는 것만으로도 큰 진화(Evolution)였는데, 이보다 더 크면 좋겠죠.
그래서 마침내 테슬라는 배터리 데이에서 4680 규격의 원통형 배터리를 개발하여 이번에 발표합니다.

더 커진 새로운 테슬라의 원통형 배터리는 5배 더 많은 에너지와, 16% 더 긴 주행거리
그리고 6배 더 강력한 파워를 자랑합니다.

참고로 에너지가 5배 증가한 건 배터리 셀 1개당 에너지가 5배 증가했다는 의미로,
단순히 2170 배터리 Size보다 4680 배터리 Size의 부피가 약 5.5배 크기 때문에 나온 효과입니다.

배터리 크기당 생산비용 효율 그래프, 원통형 셀이 클수록 비용이 절감됨을 알 수 있다.

배터리가 커지면 커질 수록 빨간색 그래프처럼 생산 비용은 줄어듭니다.
다만 그렇다고 무지막지하게 Size만 키우면 주황색 그래프처럼 점점 주행거리가 짧아지게 됩니다.

테슬라는 연구를 통해서 46mm Size에서 가장 긴 주행거리를 갖게 되는 것을 확인하였습니다.
위 그래프를 잘 보면 46mm 부근에서 주황색 그래프가 감소하기 시작하죠.
그래서 결정된 46mm Size의 대형 원통형 배터리는 지난 5월 테슬라가 특허를 출원한  Tabless 특허 기술이 적용됩니다.

점선 : 배터리 셀 크기당 슈퍼 차징 시간 그래프, 원통 배터리 Size가 커질 수록 충전 시간이 길어진다 / 실선 : 새로운 테슬라 4680 배터리는 슈퍼 차징 시간이 크게 변하지 않는다.

테슬라의 엔지니어들은 배터리 셀에 있는 기존의 포일(foil)을 레이저로 패턴하여
나선형으로 기와를 쌓는 형태(shingled spiral)로 만들어서, 50mm의 짧은 전자의 이동통로를 만들어냈습니다.
이는 현재의 배터리 셀의 250mm의 길이보다 더 짧은 길이입니다.

원통 배터리 단면, 나선형으로 기와를 쌓는 형태(shingled spiral)

이렇게 짧은 전자의 이동 거리를 구현함으로써 6배의 파워와 +16% 주행거리를 얻어내게 됩니다.

맞는 이해인지는 모르겠지만, 어떻게든 이해를 해보려고 비전문가인 저로서는 이렇게 이해했습니다.

"기존에 충전하려면 하나의 원통형 배터리 안에서 250mm를 달려야했던 전자들이 Tabless 특허 설계로 50mm만 달리면 되니까 그만큼 빠르게 출력이 뿜어져 나오고, 슈퍼차징 충전시에도 그만큼 빠르게 충전이 이루어지게 된다. 주행거리 증가 효과도 마찬가지로 전자가 250mm를 이동하면서 버리는 열 에너지(발열)가 50mm로 이동거리가 줄면서, 그만큼 버려지는 에너지가 감소하여 사용할 수 있는 에너지가 증가한다"

워낙 배터리 데이의 발표 내용이 어려워서, 이정도로 대충 4680 배터리에 대한 이해를 넘겨봅니다.

*부연설명 : Tabless 설계 '덕분에' 열 관리에 이점을 보이게 되었으나, Tabless 설계 '때문에' 더 큰 출력을 낼 수 있게 되었기에 최고 퍼포먼스에서의 전체적인 발열은 더 증가하게 될 것입니다. 즉, 동일 퍼포먼스라면 발열이 기존보다 덜하겠지만, 더 좋은 퍼포먼스를 보여주게 되면 기존(낮은 퍼포먼스의 기존 배터리)보단 발열이 늘어날 것입니다.

테슬라의 배터리 생산 계획, 2022년 100GWh 생산 용량을 2030년에 3TWh까지 늘린다.

그러나 아쉽게도 이 대형 원통형 배터리가 당장 테슬라 차량에 적용되는 것은 아닙니다.
엘론 머스크는 1년 정도의 시간이 걸려야 원하는 생산 용량(10GWh)을 달성할 수 있을 것이라고 말합니다.

때문에 테슬라 차량에 실제로 적용되어 소비자에게 인도되려면 1~2년, 넓게는 3~4년은 더 걸리지 않을까 싶습니다.

테슬라의 4680 원통형 배터리 제조 공정

발표 전에는 '전고체 배터리다, 배터리 업계의 지각이 바뀐다' 등 여러 설레발이 난무했지만
결국 테슬라 배터리 데이에서의 '배터리' 는 Tabless 특허 기술이 적용된 4680 Size의 원통형 배터리를 말하는 것이었습니다.

이렇게 테슬라의 발표를 보고, 배터리 데이 초대장을 다시보니
나노와이어가 아니냐고 여기저기 기사가 올라왔던 배경 사진이
4680 Size 원통 배터리 단면의 나선형으로 기와를 쌓는 형태(shingled spiral)로 보이네요 :)

엘론 머스크는 발표 중 재밌게 이야기를 합니다.

"어떤 바보라도 크게는 만들 수 있다"

그렇죠, 어떤 바보라도 크게만 만들라면 만들 수 있는 원통형 배터리.
그 생산의 효율성과 출력의 최적점을 찾아낸 테슬라의 Tabless 특허 기술.

이것들이 보여줄 테슬라의 미래가 정말 기대됩니다!

 

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