[TSLA] 미래를 이끄는 배터리 기술 혁신 : 용매 없는 건식 공정과 테슬라의 4680 배터리

테슬라는 배터리 생산 내재화를 추진하고 있는 유일한 완성차 기업입니다. 본래 테슬라는 파나소닉과 LG에너지솔류션에서 원통형 배터리를 공급받아 전기차를 생산하고 있었죠. 하지만 수직계열화를 통한 제조 혁신을 위해 2020년에 4680 배터리의 자체 생산 계획을 발표합니다. 

 

5년이란 시간이 지난 지금, 최근 2분기 실적 발표에서 4680 배터리의 생산이 1분기 대비 50% 향상을 이루었다고 언급했었죠. 아직은 수율이 문제겠지만 결국은 완성을 하리라 생각합니다. 최근 일론이 'X'를 통해서 "엄청난 혁신을 이뤄냈다."라고 언급을 한 것에서 예측할 수 있듯이 말이죠. 

 

오늘은 테슬라의 4680배터리에서 적용된 '건식 공정'과 '4680 배터리'의 장점을 정리하여 포스팅해보도록 하겠습니다. 

---

1. 건식 공정이란 무엇인가? 

출처 : 테슬라(좌, 습식공정/우, 건식공정)

 
**건식 공정(Dry Electrode Process)**은 배터리 제조에서 기존의 습식 공정과 대조적으로 용매를 사용하지 않는 혁신적인 방식입니다. 이 공정은 전극 재료를 고체 가루 형태로 코팅하여 별도의 건조 과정 없이 전극에 바로 적용합니다. 현재 널리 사용되는 습식 공정은 NMP(노말메틸피롤리돈)와 같은 유해 용매를 사용하여 슬러리를 만들어 전극에 코팅한 후, 이를 건조하는 복잡한 과정이 필요합니다. 이 과정에서 상당한 에너지가 소비되고, 대규모 건조 장치가 필요하기 때문에 비용이 높아집니다.

  건식 공정은 이러한 문제를 해결하면서도 에너지 비용을 약 30% 절감할 수 있으며, 건조에 필요한 공장 면적을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있습니다. 또한, 용매를 사용하지 않기 때문에 환경적으로도 유리하며, 관련 장비와 비용이 필요 없어 생산 비용 절감에 크게 기여할 수 있습니다. 건식 공정이 상용화되면 배터리 제조 비용을 크게 낮추고, 이로 인해 전기차 가격도 인하될 가능성이 큽니다.

2. 테슬라의 선도적 역할 

출처 : 하이투자증권, 테슬라

 

테슬라는 이 혁신적인 건식 전극 공정을 도입하기 위해 지난 2019년 Maxwell Technologies를 인수했습니다. Maxwell Technologies는 건식 코팅 기술의 선구자였으며, 테슬라는 이를 통해 4680 배터리 셀 제조에 필요한 기술을 확보했습니다. 테슬라의 4680 배터리는 기존 2170 셀에 비해 용량이 5배 크며, 에너지밀도가 10% 증가하는 등 성능이 대폭 향상되었습니다.

테슬라는 현재 텍사스 오스틴의 Gigafactory에서 4680 셀을 생산하고 있으며, 이 배터리를  일부 Model Y와 Cybertruck에 적용하고 있습니다. 그러나, 알려진 바에 따르면 테슬라는 아직 대규모 생산을 위한 건식 코팅 공정을 완전히 구현하지는 못한 상태입니다. 수율 확보가 문제지요. 그럼에도 불구하고, 이 기술이 상용화되면 전체 제조 비용을 56%까지 절감할 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

 

배터리 제조 비용이 감소하게 된다면 테슬라의 이익이 늘어나게 됩니다. 더불어 전기차의 가격이 저렴해지고, 이에 따라 전기차의 높은 가격으로 인해 구매를 망설이던 소비자들의 진입 장벽을 낮출 수 있게 됩니다. 전기차로의 전환이 가속화 되는 거죠. 그럼 좀 더 자세하게 4680 배터리의 주요 장점을 정리해보겠습니다. 

---

3. 4680 배터리의 주요 장점

출처 : 테슬라, 하이투자증권 리포트

출처 : 테슬라

 

4680 배터리는 단순히 크기만 커진 것이 아니라 여러 가지 혁신적인 장점을 갖추고 있습니다. 

고에너지밀도 :  4680 셀은 기존 2170 셀에 비해 용량이 5배 크고, 에너지밀도가 10% 증가할 수 있습니다. 이를 통해 주행거리를 16% 증가시킬 수 있습니다.
  
안전성  : 원통형 배터리의 구조적 특성으로 인해 열 폭주에 대한 안전성이 높습니다. 원통형 셀은 단일 셀의 열폭주로 인해 방출되는 에너지가 작아, 열폭주 확산의 위험이 적습니다.
  
고속 충전 능력 : 4680 배터리는 크기가 커진만큼 내부 저항을 줄이기 위한 설계가 최적화 되었고, 그 결과 충전 중 발생하는 열이 감소합니다. 낮은 온도는 고속 충전시 발생할 수 있는 과열 문제를 예방해주죠. 
  
높은 생산 효율과 낮은 단가 : 원통형 배터리는 다른 형태의 배터리보다 생산 효율성이 높습니다. 특히 4680 셀은 대형화로 인해 BMS의 복잡성이 줄어들어 제조 단가를 낮출 수 있습니다.
  
BMS(배터리 관리 시스템) 난이도 감소: 4680 배터리는 셀 수가 적어져 BMS의 난이도가 대폭 감소하며, 배터리 시스템의 공간 활용도가 향상됩니다.

---

마치며

이와 같이 테슬라의 4680 배터리와 건식 전극 공정은 전기차 및 배터리 산업에 혁신적인 변화를 가져오고 있으며, 앞으로의 시장 전망과 기술 발전에 큰 기대를 걸고 있습니다. 이러한 기술적 혁신이 더 나은 미래를 만들어가는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.