테슬라 4680 배터리 특징 (탭리스 배터리, TABLESS)

 안녕하십니까. 훈스로그입니다.

TESLA 4680 배터리

  항상 느끼는거지만 테슬라는 정말 대단한 회사이라 생각되네요.. 단순히 자동차 회사가 아닌 배터리, 소프트웨어, 완성차까지 자기들이 하는 엄청난 회사입니다. 4680 배터리를 처음 공개한건 2020년 9월 22일 Tesla Battery Day 때 입니다. 테슬라는 지금까지 이미 개발이 완료되어 충분히 검증된 원통형 규격품 18650, 21700 배터리를 사용해왔습니다. 노트북, 가전제품 등 이미 넓은 분야에 쓰이고있기 때문에 물량수급이 원활했기 때문이었죠.

TESLA BATTERY DAY 발췌

 하지만 이제는 차세대 배터리가 필요할 때라고 느꼈고, 4680 배터리를 개발하여 공개하였습니다. 이름은 Cell 크기를 의미하여 지름 46mm, 길이 80mm를 가졌습니다.  에너지(용량) 5배를 향상시켜 주행거리 16%를 증대하고, 출력 6배를 향상시켰다는 이 배터리 어떤건지 한번 살펴볼게요.

50% 향상된 2170 배터리

 18650 → 21700 → 4680 으로 원통형 셀 크기가 점점 커지고 있습니다. 1865에서 2170으로 커지면서 에너지가 50% 증대되었다고 하는데, 그럼 크면 클수록 좋은걸까요? 자동차 배터리팩공간에 넣을 수 있는 셀의 수량을 한정되어 있습니다. 그렇기 때문에 마냥 크기를 늘릴 수는 없는 것이죠. 테슬라는 에너지밀도와 원가절감의 최적화된 크기가 바로 4680이라고 말했습니다. 그래프를 보시면 지름 46mm 이후로는 커져도 비용 절감이나 에너지 향상이 크지 않은 것을 확인할  수 있죠. 즉, 에너지밀도가 극대화된 배터리가 4680이라는 것이죠.

X축 배터리 외경, Y축 증가율, 주황색 주행거리, 빨간색 비용 감소분

탭리스 배터리

  원통형 배터리 구조는 전극 및 분리막이 롤 형태로 말아져 이루어져 있습니다. 우리가 흔히 생각하는 AA배터리와 구조는 비슷해요. (+) (-) 단자가 필요한데, 전극에서부터 단자까지 전류가 흐르는 경로를 '리드탭' 이라고 부릅니다. 이는 원통형 배터리에서 꼭 필요한 구조인데, 4680은 이러한 TAB이 없는 TABLESS 배터리입니다.

 탭을 없애면 면 전체를 도체로 활용할 수 있기 때문에 전자의 이동이 용이하게 됩니다. 아래 사진은 기존 리드탭 방식입니다. 보시다시피 전자가 좁은 리드탭을 향해 이동하고 있는데, 전자가 한 곳으로 몰리기 때문에 병목현상이 발생하게되고, 온도가 상승하고 이 부분에서 화학반응이 일어날 가능성이 높습니다.

출처 : https://www.youtube.com/watch?v=Rcw3vA0gAMs

 반면에, 아래 사진은 탭리스 구조인데요. 전극의 하단부 전체를 Massive Conductive area. 즉, 모두를 전도체로 활용해 탭 역할을 하게 한다는 것입니다. 전자는 여러곳으로 분산하여 이동할 수 있기 때문에 저항이 낮고 발열이 적습니다. 또한, 한번에 많은 전자를 이동시킬 수 있기 때문에 출력 성능도 향상되죠. 균일한 전류 분포로 Local Hotspot을 막아줘 배터리 수명 극대화 및 고속충전이 가능한 차세대 배터리 탭리스.

 

 전극을 돌돌 말아 아래쪽에서 보면 아래 사진과 같이 됩니다. 여기서 탭리스의 또 하나의 장점이 있는데요. 기존에는 전극과 탭을 용접하여 부착해줘야 했지만, 탭리스는 그럴 필요가 없습니다. 또한, 용접 과정에서 발생할 수 있는 Burr가 생길 염려도 없기 때문에 생산속도를 향상시킬 수 있죠.

출처 : ALL ABOUT CIRCUITS

*Burr : 절단 및 용접 가공 작업시에 발생하는 날카로운 돌출물. Burr가 분리막에 손상을 입히면 단락(Short)로 인해 화재가 발생할 수 있다.

 올해 모델 Y에 처음 탑재할 이 배터리 정말 기대됩니다. 파나소닉에서 생산준비를 하고 있는 것 같은데, 양산성 검증만 된다면 전기차 시장에서 정말 획기적인 변화를 가져오지 않을까 생각합니다...