BYD의 블레이드 배터리부터 허니컴 에너지의 코발트 프리 배터리, CATL 시대의 나트륨 이온 배터리까지 전력 배터리 산업은 지속적인 혁신을 경험해 왔습니다. 2020년 9월 23일 - Tesla 배터리 데이, Tesla CEO Elon Musk는 새로운 배터리인 4680 배터리를 세상에 선보였습니다.
기존에는 원통형 리튬전지의 크기가 18650과 21700이 주류였는데, 21700이 18650보다 에너지가 50% 더 많았다.4680 배터리는 21700 배터리에 비해 셀 용량이 5배 증가했으며, 새 배터리는 킬로와트시당 비용을 약 14% 줄이고 항속거리를 16% 늘릴 수 있다.
머스크는 이 배터리로 25,000달러짜리 전기 자동차를 만들 수 있다고 솔직하게 말했습니다.
그렇다면 이 위협적인 배터리는 어디서 왔을까요?다음으로 하나씩 분석해 보겠습니다.
1. 4680 배터리란 무엇입니까?
Tesla의 전원 배터리 명명 방식은 매우 간단하고 간단합니다.4680 배터리는 이름에서 알 수 있듯이 단일 셀 직경 46mm, 높이 80mm의 원통형 배터리입니다.
세 가지 크기의 리튬 이온 원통형 배터리
사진에서 볼 수 있듯이 테슬라의 오리지널 18650 배터리와 21700 배터리를 비교하면 4680 배터리는 키가 크고 힘센 남자처럼 보입니다.
하지만 4680 배터리는 단순히 크기만 변경한 것이 아니라, Tesla는 성능을 향상시키기 위해 많은 새로운 기술을 도입했습니다.
둘째, 4680 배터리의 신기술
1. 무전극 이어 디자인
직관적으로 4680의 가장 큰 느낌은 더 크다는 점입니다.그렇다면 왜 다른 제조업체에서는 과거에 배터리를 더 크게 만들지 않았습니까?부피가 크고 에너지가 높을수록 열을 제어하기가 더 어려워지고 연소 및 폭발로 인한 안전 위협도 커지기 때문입니다.
Tesla도 이 점을 고려한 것으로 보입니다.
이전 원통형 배터리와 비교하여 4680 배터리의 가장 큰 구조적 혁신은 풀 러그라고도 알려진 무전극 러그입니다.기존의 원통형 배터리에서는 양극과 음극의 동박과 알루미늄박 분리막이 겹쳐서 감겨져 있습니다. 전극을 인출하기 위해 탭이라고 불리는 리드선을 동박과 알루미늄박의 양끝에 용접한다.
기존 1860 배터리의 권선 길이는 800mm입니다. 전도성이 좋은 동박을 예로 들면, 동박에서 전기를 끌어내는 탭의 길이는 800mm로, 이는 800mm 길이의 전선에 흐르는 전류와 동일합니다.
계산에 따르면 저항은 약 20mΩ, 2170 배터리의 권선 길이는 약 1000mm, 저항은 약 23mΩ이다.같은 두께의 필름을 4680 배터리에 감아야 한다는 점을 쉽게 환산할 수 있으며, 권선 길이는 약 3800mm이다.
권선 길이를 늘리면 많은 단점이 있습니다. 전자는 배터리 양쪽 끝에 있는 탭에 도달하기 위해 더 긴 거리를 이동해야 하며, 저항이 증가하고 배터리가 더 뜨거워지기 쉽습니다.배터리 성능이 저하되고 안전 문제도 발생할 수 있습니다.전자가 이동하는 거리를 줄이기 위해 4680 배터리는 무전극 귀 기술을 사용합니다.
무전극 탭은 탭이 없지만 전체 집전체를 탭으로 바꾸고 전도성 경로는 더 이상 탭에 의존하지 않으며 전류는 탭을 따라 측면 전송에서 집전판으로 전달되어 세로 전송으로 전달됩니다. 전류 수집기.
전체 전도성 길이가 1860 또는 2170 동박 길이의 800~1000mm에서 80mm(배터리 높이)로 변경되었습니다.저항은 2mΩ으로 줄어들고, 내부 저항 소비도 2W에서 0.2W로 줄어들어 직접적으로 10배 정도 줄어듭니다.
이 디자인은 배터리의 임피던스를 크게 줄이고 원통형 배터리의 발열 문제를 해결합니다.
한편, 무전극 귀 기술은 전류 전도 면적을 늘리고 전류 전도 거리를 단축하며 배터리의 내부 저항을 크게 줄입니다. 내부 저항을 낮추면 전류 오프셋 현상을 줄이고 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 저항이 감소하면 발열도 감소할 수 있으며, 전극 전도성 코팅층과 배터리 엔드 캡 사이의 유효 접촉 면적은 100%에 도달할 수 있어 방열 용량이 향상될 수 있습니다.
4680 배터리는 셀 구조 측면에서 새로운 유형의 무전극 귀 기술을 채택하여 비용을 절감하고 효율성을 높일 수 있습니다.한편, 탭의 용접공정을 생략하여 생산효율을 높이는 동시에 용접으로 인한 불량률을 줄일 수 있다.
모노폴 및 풀폴 구조의 개략도
2. CTC 기술과 결합
일반적으로 배터리 크기가 클수록 동일한 차량에 장착해야 하는 배터리 수가 줄어듭니다.18650개의 셀을 사용하면 Tesla에는 7100개의 셀이 필요합니다.4680 배터리를 사용하는 경우 배터리는 900개만 필요합니다.
배터리 수가 적을수록 조립 속도가 빨라지고 효율성이 높아지며 중간 링크에서 문제가 발생할 가능성이 낮아지고 가격이 저렴해집니다.테슬라에 따르면 대형 4680은 배터리 생산 단가를 14% 낮출 수 있다고 한다.
배터리 팩의 에너지 밀도를 향상시키기 위해 4680 배터리에 CTC(Cell to Chassis) 기술이 결합됩니다.배터리 셀을 섀시에 직접 통합하는 것입니다.모듈과 배터리 팩을 완전히 제거하면 배터리 셀이 더욱 컴팩트해지고 배터리 부품 수가 크게 줄어들며 섀시의 공간 활용도 크게 향상됩니다.
CTC에는 배터리의 구조적 강도에 대한 특정 요구 사항이 있습니다. 배터리 자체가 기계적 강도를 많이 견뎌야 합니다. 18650 및 2170 배터리에 비해 4680 단일 배터리는 구조적 강도와 구조적 강도가 더 높으며 일반 사각형 쉘 배터리는 알루미늄 쉘입니다. 4680 쉘은 스테인레스 스틸로 만들어졌으며 고유한 구조적 강도가 보장됩니다.
사각형 쉘 배터리와 비교하여 원통형 배터리의 레이아웃은 더 유연하고 다양한 섀시에 적응할 수 있으며 현장과 더 잘 결합될 수 있습니다.
"EMF"의 연구 및 판단에 따르면 CTC 기술은 2022년 신에너지 자동차의 송풍구이자 갈림길이기도 합니다.
배터리를 차체에 통합하면 차량 유지 관리가 매우 복잡해지고 배터리를 독립적으로 교체하기가 어렵습니다.A/S 가격은 인상되고, 이러한 비용은 보험비 등 소비자에게 직접 전가됩니다.머스크는 절단 및 교체가 가능한 수리 레일을 설계했다고 주장하지만 그것이 얼마나 잘 작동하는지 확인하려면 시간이 걸릴 것입니다.
많은 자동차 회사들이 자체 CTC 기술 솔루션을 제안했는데, 그 이유는 배터리를 재배치할 뿐만 아니라 차체 구조도 변경해야 하기 때문입니다.이는 관련 산업의 공급망에서의 노동 재분배와 관련이 있습니다.
CTC는 단지 기술적인 경로일 뿐입니다.배터리 본체 일체형, 분해 불변입니다.그 반대편에는 배터리 교체라는 또 다른 기술이 있습니다.배터리 스왑 기술은 분해가 쉽지만 배터리 강도에 있어서 배터리가 큰 역할을 합니다.이 두 가지 경로를 어떻게 선택하느냐는 배터리 공급업체와 OEM 간의 게임입니다.
4680 배터리와 결합된 CTC 기술
3. 배터리 생산공정, 양극재, 음극재 혁신
Tesla는 건식 배터리 전극 공정을 사용하여 용매를 사용하는 대신 미세하게 분말화된 PTFE 바인더를 소량(약 5~8%)의 양극/음극 분말과 혼합하여 압출기를 통과시켜 얇은 스트립을 형성합니다. 전극 재료, 전극 재료 스트립을 금속 호일 집전체에 적층하여 완성된 전극을 형성했습니다.
이런 방식으로 생산된 배터리는 더욱 환경친화적입니다.그리고 이 과정을 통해 배터리의 에너지 밀도를 높이고 생산에 필요한 에너지 소비를 10배까지 줄일 수 있습니다.건식전극 기술은 차세대 기술 벤치마크가 될 가능성이 높다.
Tesla 4680 배터리 건식 전극 기술
음극재와 관련해 테슬라는 양극재에 있는 코발트 성분도 제거하겠다고 밝혔다.코발트는 비싸고 희귀합니다.세계에서 아주 소수의 국가나 콩고와 같은 불안정한 아프리카 국가에서만 채굴할 수 있습니다.배터리가 실제로 코발트 성분을 제거할 수 있다면 이는 획기적인 기술 혁신이라고 할 수 있다.
코발트
양극재의 경우 테슬라는 실리콘 소재부터 시작하여 현재 사용되는 흑연을 대체하기 위해 더 많은 실리콘을 사용할 예정이다.실리콘계 음극의 이론 비용량은 4200mAh/g으로 흑연 음극에 비해 10배 이상 높다.그러나 실리콘계 음극 역시 실리콘의 부피 팽창이 용이하고, 전기 전도도가 열악하며, 초기 충방전 손실이 크다는 등의 문제점을 안고 있다.
따라서 소재의 성능향상은 사실상 에너지밀도와 안정성의 균형을 찾는 것이며, 현재 실리콘계 음극제품은 실리콘과 흑연을 도핑하여 복합용도로 사용하고 있다.
Tesla는 실리콘 표면의 가단성을 근본적으로 변화시켜 파손 가능성을 줄일 계획입니다. 이 기술을 통해 배터리를 더 빠르게 충전할 수 있을 뿐만 아니라 배터리 수명도 20% 늘릴 수 있습니다.테슬라는 신소재에 '테슬라 실리콘'이라는 이름을 붙였고, 비용은 1.2달러/KWh로 기존 구조화 실리콘 공정의 10분의 1 수준에 불과하다.
실리콘 기반 음극재는 차세대 리튬전지 음극소재로 주목받고 있다.
시중에 나와 있는 일부 모델에서는 실리콘 기반 양극재를 사용하기 시작했습니다.Tesla Model 3와 같은 모델은 이미 음극에 소량의 실리콘을 포함하고 있습니다.최근 GAC AION LX Plus 모델이 출시되었습니다. Qianli 버전에는 스폰지 실리콘 양극 칩 배터리 기술이 탑재되어 있어 1,000km의 배터리 수명을 달성할 수 있습니다.
4680 배터리 실리콘 양극
4680 배터리 기술의 장점을 요약하면 비용을 절감하면서 성능을 높일 수 있다는 점이다.
3. 4680 배터리의 광범위한 영향
4680 배터리는 파괴적인 기술 혁명이나 에너지 밀도의 획기적인 발전이 아니라 프로세스 기술의 혁신에 가깝습니다.
그러나 Tesla가 주도하는 현재의 신에너지 시장 패턴에 따라 4680 배터리 생산은 기존 배터리 패턴을 바꿀 것입니다.업계에서는 필연적으로 대용량 원통형 배터리의 물결이 일어날 것이다.
보도에 따르면 파나소닉은 2023년 초 테슬라용 4680 대용량 배터리 양산을 시작할 계획이다.신규 투자 규모는 최대 800억엔(약 7억400만달러)에 이른다.삼성SDI와 LG에너지도 4680 배터리 개발에 동참했다.
국내에서는 Yiwei Lithium Energy가 자회사 Yiwei Power가 Jingmen High-tech Zone에 20GWh 규모의 승용차용 대형 원통형 배터리 생산 라인을 구축할 계획이라고 발표했습니다. BAK 배터리와 허니컴 에너지도 대형 원통형 배터리 분야에 진출할 예정이다. BMW와 CATL도 대형 원통형 배터리를 적극적으로 배치하고 있으며 기본 패턴은 정해졌다.
배터리 제조사의 원통형 배터리 레이아웃
넷째, 기전력이 할 말이 있다
대형 원통형 배터리의 구조적 혁신은 의심할 여지없이 전력 배터리 산업의 발전을 촉진할 것입니다. 단순히 5번째 배터리를 1번째 배터리로 업그레이드하는 것만큼 간단하지는 않습니다. 그 뚱뚱한 몸에는 큰 질문이 있습니다.
배터리 가격은 자동차 전체 가격의 40%에 가깝다. '심장'으로서의 배터리의 중요성은 자명합니다.그러나 신에너지 자동차의 인기로 인해 배터리 수요가 날로 증가하고 있으며, 소재 가격도 상승하고 있습니다. 배터리의 혁신은 자동차 회사가 발전하는 중요한 방식이 되었습니다.
배터리 관련 기술의 발전으로 저렴한 전기자동차가 코앞으로 다가오고 있습니다!
게시 시간: 2022년 6월 13일