투자자들에게 향후 프로젝트와 혁신 기술을 발표하는 테슬라의 배터리 데이가 9월 말에 열렸습니다. 기대되는 두 가지 발표가 있었습니다. 백만 마일 배터리 그리고 분석가들이 공식적으로 전기차를 내연기관차와 동등한 수준으로 끌어올릴 수 있는 가격인 $100/kWh의 배터리 가격대입니다.
백만 마일 배터리에 대한 공식 발표는 없었지만, 테슬라는 향후 3년 이내에 $60/kWh에 불과한 배터리를 출시하는 것을 목표로 하고 있다고 발표했는데, 이는 전문가들이 예상하는 이 가격의 배터리가 시장에 출시될 것으로 예상하는 것보다 2년 더 빠른 것입니다. 테슬라에 따르면 이 가격은 배터리 제조 비용을 줄임으로써 가능할 것이라고 합니다. Tesla는 궁극적으로 배터리 생산을 사내로 이전하고 완전한 수직 통합을 구현할 뿐만 아니라 새로 특허를 받은 배터리 설계를 활용하여 비용을 절감할 계획입니다.
전체적으로 Tesla는 배터리를 개선하기 위한 5단계 계획을 설명했습니다.
셀 디자인
테슬라가 목표 달성을 위해 추진하고 있는 중요한 변화 중 하나는 탭이 없는 배터리를 설계하는 것입니다.
Tesla는 최근 전극과 에너지 부하를 연결하는 탭을 제거한 새로운 배터리 디자인에 대한 특허를 출원했습니다. 이 배터리 구조는 제조가 더 간단하고 부품 수가 적으며 전기 경로가 5배 줄어들어 에너지가 더 빠르고 효율적으로 흐르게 되는 등 여러 가지 이점이 있는 것으로 알려져 있습니다.
그렇다면 이 기술은 어떻게 이러한 목표를 달성할 수 있을까요? 현재 원통형 배터리 셀의 설계는 분리막으로 분리된 음극과 양극 소재 층을 원통형으로 말아 넣는 방식입니다. 탭은 각각 음극과 양극 시트에 연결되고 부하에 연결하기 위해 돌출되어 있습니다.
테슬라의 새로운 배터리 디자인은 음극과 양극 호일을 나선형 패턴으로 배열합니다. 이 배치 패턴은 접촉하는 활성 물질의 표면적을 증가시켜 셀 내에서 이온의 빠른 이동을 촉진합니다.
기존 배터리 설계에서 전극 탭은 이온이 부하로 이동할 수 있는 경로가 하나뿐이기 때문에 병목 현상을 일으킵니다. 탭을 제거하면 오믹 저항이 감소하여 에너지가 더 효율적으로 이동할 수 있습니다. 또한 화학 활동의 집중으로 인해 배터리의 특정 영역에 열이 축적될 가능성도 줄어듭니다. 새로운 디자인은 이러한 반응이 셀 내부에 고르게 분산되어 과열 가능성을 줄여줍니다.
셀 제조
테슬라의 배터리 개선 계획의 다음 단계는 배터리 제조 방식입니다. 이는 공정을 단순화하고 탄소 발자국과 에너지 소비를 줄이는 것을 의미합니다.
현재 대부분의 배터리 전극은 전극 분말을 물이나 다른 용매와 섞은 다음 오븐에 넣어 건조시키는 습식 공정으로 만들어집니다.
Tesla는 전극 분말을 필름으로 직접 변환하는 건식 공정을 완성하는 과정에 있습니다. 엘론 머스크는 이 방법이 훨씬 더 복잡한 방법이라고 말했지만, 완성되면 제조 공정이 훨씬 간단해지고 공정에서 에너지 사용량을 줄일 수 있을 것입니다.
양극 재료
Tesla는 많은 배터리 제조업체 및 연구자들과 마찬가지로 배터리 양극에 흑연 대신 실리콘을 사용하는 데 관심이 있습니다. 실리콘은 저렴할 뿐만 아니라 지각에 풍부하게 매장되어 있어 장기적으로 더 지속 가능한 선택이 될 수 있습니다. 실리콘은 흑연에 비해 9배의 전자 용량을 가지고 있어 에너지 용량이 훨씬 더 높은 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 셀 내에서 팽창하고 여러 사이클이 지나면 결국 성능이 저하되어 배터리를 쓸모없게 만드는 것으로 알려져 있습니다.
이를 해결하기 위해 테슬라는 원시 실리콘과 탄성 이온 전도성 폴리머 코팅을 사용하여 소재를 안정화할 것이라고 밝혔습니다. 이론적으로 이렇게 하면 전기차의 주행 거리가 20%까지 늘어날 수 있습니다.
음극 재료
현재 배터리는 안정성과 높은 에너지 밀도 때문에 코발트를 양극 재료로 사용합니다. 하지만 테슬라는 이미 코발트의 독성과 인권 침해와 관련된 채굴 때문에 코발트 사용을 중단하고 싶다는 의사를 밝힌 바 있습니다. 대신 머스크는 대안으로 니켈에 집중할 것이라고 말했습니다. 니켈은 저렴하고 에너지 밀도가 높지만 그 자체로는 불안정합니다. 머스크는 이 소재를 안정화하여 궁극적으로 배터리 비용을 낮추는 데 도움이 될 수 있도록 노력하고 있습니다.
또한 테슬라는 니켈의 가용성에 제약을 받고 싶지 않으며, 용도에 따라 에너지 저장 솔루션에 철이나 마그네슘과 같은 다른 금속을 사용하는 등 배터리에 사용되는 소재에 대한 유연한 접근 방식을 계획하고 있다고 말했습니다.
셀-차량 통합
Tesla 계획의 마지막 단계는 배터리 팩을 자동차 자체의 구조에 직접 통합하는 것입니다. "구조용 배터리"라는 용어를 만들어낸 이 기술은 전기 자동차 배터리 팩은 에너지 저장소일 뿐만 아니라 차량 구조의 필수적인 부분이기도 합니다. 이는 추가 구조물을 추가하지 않고도 셀을 더 조밀하게 포장할 수 있도록 하여 차량의 질량을 줄이고 주행 거리를 늘리는 것을 목표로 합니다.
Tesla의 비전이 결실을 맺기까지는 몇 년이 걸리겠지만, Tesla를 비롯한 전 세계가 더 친환경적이고 깨끗한 기술을 채택하고자 하는 상황에서 이러한 혁신이 전기차 및 에너지 저장 산업에 어떤 도전을 계속할지 기대가 됩니다.
