소식

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글 | 한용창

편집자 │ 리친

애플의 10년간의 자동차 만들기 경쟁은 아무런 성과도 없이 결국 포기해 전 세계의 감탄을 불러일으켰다. 시가총액 기준 세계 최대 자동차 회사인 테슬라 내에서도 비슷한 '타이탄' 프로젝트가 있는데, 바로 4680형 대형 원통형 배터리다.

36Kr에 따르면 테슬라는 2019년 투자 이후 5년에 걸쳐 이 프로젝트에 30억 달러를 투자했다. “회사 내 보기 드문 대규모 투자 프로젝트”이지만 아직 양산에 들어가지는 않았다. 전기차의 핵심 부품인 테슬라는 4680 배터리 개발과 적용을 통해 업계에서 두각을 나타내고자 한다. 그러나 분명히 이 소원은 이루어지지 않았다.

머스크의 과감한 정리해고 계획에 4680 배터리 프로젝트는 자연스럽게 "1,600명에서 1,000명 남음"으로 가장 큰 타격을 입은 분야가 됐다. 오고있다.

하지만 애플의 자동차 대본과 달리 테슬라의 4680 대형 원통형 배터리는 전환점을 맞이했다.

Tesla와 가까운 여러 엔지니어는 36Kr에 Tesla 배터리 팀의 최근 임무는 연말까지 완전 건식 4680 대형 원통형 배터리를 대량 생산하는 것이라고 말했습니다. “이미 자동차에 셀이 탑재되어 대량 생산 준비가 완료되었습니다. 미국에 있고 유럽 공장이 그 뒤를 잇습니다.”

배터리 비용은 전기차 기업의 가장 큰 이익 걸림돌이 됐다. 테슬라가 출시한 4680 배터리는 당연히 자동차 기업이 자생력을 다잡을 수 있는 기회로 여겨진다. 테슬라에 이어 국내외 배터리 공장도 활발히 전개되고 있다. NIO는 전성기 생산능력을 40GWh로 계획했다.

그러나 현재 대부분의 기업은 이미 준포기 상태에 있다. 배터리 공장 관계자는 "해외 자동차 업체들이 연락을 하러 오겠지만 국내 자동차 업체들은 전혀 관심이 없다"고 말했다.

자동차 시장에서 최종 가격 전쟁이 계속되면서 업계의 열정은 줄어들었고 시장은 더 이상 신기술에 비용을 지불하지 않습니다. 암울한 가운데 테슬라의 조용한 돌파가 희망처럼 보였다.

테슬라의 건식전극 기술은 4680뿐만 아니라 미래 전고체 배터리의 궁극적인 생산 방식이기도 하다.

이 기술을 사용하면 전체 생산라인을 축구장 길이에 가까운 약 100m 단축할 수 있다. 업계 관계자는 36Kr에 양극과 음극이 모두 건식 방식으로 만들어지기 때문에 단일 와트시 배터리 셀 가격을 2~3센트 절약할 수 있다고 말했습니다.

이 개념은 무엇입니까? 현재 각형 인산철리튬 배터리 최저 시세는 와트시당 0.32위안이며, 이 중 총 BOM 비용, 제조, 인건비 등은 0.28~0.3위안이다. Tesla가 절감한 비용은 이미 대부분의 2차 배터리 공장의 이익입니다.

중국은 세계에서 가장 완벽한 전력 배터리 산업 체인과 가장 풍부한 기술을 보유한 국가입니다. 하지만 중국 배터리 업체들은 현재 원가 절감에 안간힘을 쓰고 있다. 대형 원통형 배터리 분야에서는 이미 테슬라가 중국 업체보다 한발 앞서 있다는 사실을 누구도 눈치채지 못했다.

이 거리를 건너는 데 몇 년이 걸릴 수 있습니다.

"건식전극 극복, 테슬라가 '은탄환' 찾았다"

2019년 테슬라는 핵심 특허 기술인 건식 전극을 보유한 미국 스타트업 기업 맥스웰(Maxwell)을 2억 1800만 달러에 55% 프리미엄으로 인수하겠다고 발표했습니다.

머스크는 이 기술의 엄청난 잠재력을 보고 이를 사용하여 4680 배터리의 극편을 만들었습니다.

전통적인 습식 공정에서는 양극과 음극의 분말 재료를 독성 용매와 혼합하여 슬러리를 제조하고 이를 해당 호일에 코팅해야 합니다. 그런 다음 기둥 조각이 최종적으로 형성되기 전에 수분을 제거하기 위해 100m 길이의 오븐에서 구워집니다.

테슬라가 사용하는 건식 공정은 양극과 음극 분말을 특수 바인더로 혼합해 호일 위에 직접 압축하기 때문에 전 공정에 수분이 들어가지 않고 건조 단계도 생략된다.

Tesla는 습식 방식에 비해 건식 전극 공정을 사용하면 비용을 18% 이상, 장비 투자를 41% 절감할 수 있다고 추정합니다. 한 장비 공장의 누군가는 36Kr에게 양극과 음극이 모두 건식 방식으로 만들어지므로 단일 와트시 배터리 가격을 2~3센트 절약할 수 있다고 말했습니다.

건식 전극 제조의 첫 번째 중요한 단계는 양극 또는 음극의 분말 재료를 혼합하는 것입니다. 혼합은 완전히 균일해야 하는데, 이것이 바로 어려운 부분입니다.

Tesla와 가까운 엔지니어는 36Kr에게 가루 한 통을 만들면 첫 번째 숟가락과 마지막 숟가락이 완전히 다른 결과를 감지할 것이라고 말했습니다. 이 가루를 2시간, 8시간 방치하면 결과가 달라집니다. 혼합물이 고르지 않으면 결과 폴 피스를 사용하기가 거의 어려울 것입니다.

더 어려운 단계는 롤링입니다. 전통적인 압연 공정에서는 롤러를 사용하여 건조된 극편을 압축하므로 배터리 코어의 성능을 보장할 수 있습니다.

Tesla는 음극에 흑연 소재를 사용했는데, 이는 더 부드럽고 압착이 용이하여 대량 생산이 빠르게 이루어졌습니다. 그러나 양극은 니켈, 코발트 등 매우 단단한 금속으로 만들어져 있어 미세한 자갈을 눌러 매끄러운 거울 표면으로 만드는 것과 같으며 이는 자명하게 어렵습니다. 건식 양극재도 4680 양산의 가장 큰 걸림돌이다.

앞서 언급한 엔지니어는 양극을 누르는 과정에서 부주의하면 장비가 손상될 수 있다고 말했습니다. "매번 장비를 수리하는 데 45일이 걸리기 때문에 양산 진행이 무기한 지연되고 있습니다."

4680에 대한 머스크의 원래 목표는 2021년에 양산해 2022년에 생산 능력이 100GWh에 도달하는 것이었습니다. 분명히 이 목표는 너무 낙관적이었습니다.다행스럽게도 엔지니어링 팀의 노력을 통해 건식 공정 음극 기술은 2022년 말까지 획기적인 발전을 이루었습니다.

한 엔지니어는 36 Krypton에게 건식 공정 양극이 이미 극 롤(극 조각의 큰 롤)로 생산되었지만 이를 배터리에 감을 때 너무 빠르고 쉽게 부서지는 등 다양한 문제가 발생할 것이라고 말했습니다.

2023년 내내 Tesla는 폴 코일을 더욱 완벽하게 만들기 위해 폴 피스 제조 중 모든 문제를 해결하는 데 집착했습니다. 그러나 "이것은 해결하기 거의 불가능한 문제입니다."

올해 4월까지 테슬라의 전력·전기 담당 수석부사장인 드루 바글리노(Drew Baglino)가 사임을 발표했다. 바글리노는 4680의 주요 책임자였다. 그의 사임 이후 건식 공정 루트도 조정을 가져왔다.

한 엔지니어는 "2022년 말 생산된 폴롤을 계속 사용하고, 와인딩 공정을 최적화해 문제를 더 쉽게 해결할 수 있다"고 말했다.

그는 이전에 테슬라가 직면한 문제 중 하나는 전극의 두께가 다르기 때문에 압연할 때 호일과 전극이 동일한 평면에 있지 않게 되는 것이라고 말했습니다. "두께가 다른 종이 네 장을 모아서 굴려 놓으면 문제가 생기기 쉬운 것처럼요."

그러나 이는 복잡한 과정이 아니다. 기존 습식 기술도 이러한 문제에 직면하게 된다. "공급업체에는 솔루션이 있지만 비용은 상대적으로 높습니다."

기술 경로의 변화는 완전 건조 4680을 만드는 Tesla의 자신감의 핵심입니다. "연말의 임무는 건식 공정 4680을 대량 생산하는 것입니다. 이제 셀이 차량에 탑재되고 품질 테스트를 위한 준비가 완료되었습니다." Tesla와 가까운 엔지니어가 36Kr에 말했습니다.

물론 4680에는 여러 가지 기술 루트가 있으며, 배터리 회사들도 이에 상응하는 제품을 개발하고 있습니다.

"가정용 대형 실린더의 딜레마: 내부에는 기술적 장애물이 있고 외부에는 반고체 압출이 있습니다."

혁신으로 유명한 Tesla는 건식 전극 공정을 극복하는 데 어려움을 겪고 있으며 흑연을 음극으로만 사용할 수 있습니다. 중국, 일본 및 한국의 전력 배터리 회사는 우회전 전술, 즉 모두 성숙한 습식을 사용합니다. 기술, 실리콘 탄소 양극과 결합하여 대량 생산에 도달했습니다.

두 가지 경로 모두 장단점이 있습니다. 이론적으로 Tesla의 건식 공정 기술은 오븐 부분을 없애고 제조 비용 측면에서 더 많은 이점을 가지고 있습니다. 그러나 흑연만을 음극으로 사용하면 에너지 밀도 향상이 매우 제한적입니다.

성숙한 습식 기술의 제조 비용은 동일하게 유지되지만 에너지 밀도가 더 높고 성능이 더 좋습니다. 가격은 실리콘 양극의 팽창 문제를 해결하기 어렵다는 것입니다. 36Kr에 따르면 현재 많은 국내 배터리 제조사들이 이 링크에 갇혀 있다.

물론 대형 원통형 배터리의 제조 공정 조정으로 인해 불확실성도 커진다.

기존 원통형 배터리 생산 라인에 비해 대형 원통형 공정에서는 더 높은 코팅 정확도가 요구됩니다. "이전 코팅은 단극 러그로 한쪽 표면에 모두 칠하고 양쪽만 정렬했습니다. 그러나 대형 실린더는 측면이 많은 풀폴 러그이므로 코팅할 때 정렬해야 합니다." 36 크립톤에게 말했습니다.

올폴 기술

이는 장비에 많은 부담을 줍니다. 4680의 코팅 정확도 요구 사항은 ±0.1mm 편차이지만 현재 대부분의 국내 장비는 ±0.5mm만 달성할 수 있습니다.

물론 이 문제가 해결 불가능한 것은 아니다. "일본 코팅 장비는 계약 시 0.1mm의 오차를 보장할 수 있지만 가격은 국내 장비의 3~4배에 이른다"고 해당 엔지니어는 말했다.

이것은 단지 코팅 문제일 뿐이며 Quanjia도 많은 문제에 직면해 있습니다. 풀 탭 성형이든 집전판 용접이든 배터리 회사에서 채택하는 방식은 일관되지 않습니다.

간단한 예로 탭을 형성할 때 납작하게 펴거나 자르고 접으면 작은 칩이나 버가 배터리 코어에 들어갈 경우 열 폭주 위험이 있습니다.

배터리 제조는 나무통 원리를 기반으로 하며, 가장 짧은 보드가 제조 수율과 효율성을 결정합니다. 대형 원통형 배터리가 순조롭게 양산되기 위해서는 이러한 문제를 하나하나 제대로 해결해야 한다.

그러나 현재 가격 전쟁이 지속되면서 대형 실린더의 양산 진행이 계속 지연되고 있다. 이와 동시에 에너지 밀도가 높은 반고체 배터리도 자동차 업체들의 주문을 받아 양산에 들어가고 있다.

순수 전기 자동차의 에너지 밀도 추구는 항상 존재해 왔으며, NIO의 150도 반고체 배터리 팩은 1,000km 이상의 배터리 수명으로 도로에서 실제 테스트를 거쳤습니다. Zhiji L6는 올해 반고체 배터리를 탑재한 라이트이어(Lightyear) 모델을 출시하고 연내 납품을 약속했다.

전력배터리산업혁신연맹(Power Battery Industry Innovation Alliance)의 통계에 따르면 올해 상반기에 2,154.7MWh의 반고체 배터리가 차량에 장착되었습니다. 이 배터리는 14,000개 이상의 NIO ET7을 탑재하기에 충분합니다.

반고체 배터리는 에너지 밀도가 높아 양산 속도가 빨라진다. 이에 뒤처지지 않으려고 Yiwei Lithium Energy, Zhongxin Xinhang, Zhengli New Energy 등 배터리 업체들이 4~6C 배율을 지원하는 대형 원통형 배터리를 잇달아 출시했다.

반고체전지와 대형 원통형 전지는 양산에 가까워진 전지 신기술이다. 두 사람을 바라보는 태도에 대해 업계에서도 다양한 목소리가 나오고 있다.

반고체 대량생산 이후에는 대형 원통형 배터리가 반격할 수 없을 것이라는 목소리도 나온다. 에너지 밀도와 향후 개발(전고체) 측면에서 반고체 상태는 거의 절대적인 이점을 가지고 있습니다. 유일한 문제는 더 높은 비용입니다.

또 다른 목소리는 대형 실린더가 반고체에 비해 장점이 있다고 믿습니다. 안전 고려 사항에 따라 대형 실린더는 강철 쉘이고 반고체는 소프트 패키지입니다. 소프트 패키지 패키지의 고니켈 삼원계 배터리가 새로운 국가 표준의 "화재 또는 폭발 없음" 열 폭주 테스트를 통과할 수 있는지 여부입니다. 여전히 질문입니다.

그러나 대형 실린더든 반고체든 자동차 업계의 원가절감 전쟁이 계속되면서 양산이 늦어지고 있다.

"대형 실린더 대량생산을 위해서는 테슬라의 절박한 움직임이 필요하다"

배터리 산업에서는 실용성이 가장 큰 장점이 되었으며, 신기술의 혁신은 더 이상 성숙한 기술의 저렴한 가격만큼 매력적이지 않습니다.

대형 원통형 배터리도 역전세를 타기 어렵다. 한때 이 기술에 푹 빠져 있던 자동차 업체와 배터리 업체들이 활동을 중단하기 시작했다. 테슬라만 빼고.

이 문제에 정통한 한 관계자는 "테슬라는 올해 말까지 미국에서 먼저 완전 건식 방식으로 대형 원통형 배터리를 대량 생산할 예정이며, 유럽 공장도 곧 이를 사용하기 시작할 것"이라고 말했다.

Tesla는 통합 다이캐스팅을 사용하든, 엔드투엔드 대형 모델을 도입하든, 항상 새로운 기술을 얼리 어답터해 왔으며, Tesla는 가장 먼저 획기적인 발전을 이루었으며 많은 자동차 회사가 이러한 사례를 따랐습니다. 이미 흔히 볼 수 있는 일입니다.

테슬라가 대형 원통형 배터리 양산에 성공해 연말까지 대규모로 활용한다면 이런 사이클은 다시 반복될 수 있다.

제조 산업에서는 공정 개선을 통해 대규모 비용 절감이 달성되며, Tesla의 건식 전극 기술과 대형 실린더의 생산 속도가 이 핵심에 도달했습니다.

현재 원통형 배터리의 생산 속도는 300PPM(분당 300셀)에 이르렀다. 이 속도로 대형 원통형 배터리를 계산하면 생산 효율은 각형 배터리의 약 4~5배에 달할 수 있다.

건식 공정 기술로 인한 장비 및 생산 자재 투자 감소와 함께 대형 원통형 배터리는 단기적으로는 수율과 효율성이 제한될 수 있지만 장기적으로 비용 절감 효과는 상당할 것입니다.

자동차 회사에 있어 대형 실린더의 의미는 배터리 사양을 통일하는 것입니다. 배터리가 표준 구매 제품이 되면 가격이 하락하고 자동차 회사는 배터리 공급업체에 대한 통제력을 강화하게 됩니다.

물론 대형 원통형 배터리의 PACK 설계는 난제다.

"대형 실린더용 PACK의 어려움은 솔더 포인트가 너무 많다는 점인데, 완전히 해결 불가능한 문제는 아닙니다. 돈만 투자하면 되는데 지금 자동차 회사들은 돈이 없습니다."

배터리 업계도 이 기술, 특히 CATL에 대해 매우 긴장하고 있다. CATL의 배터리 생산 라인은 거의 대부분이 각형 배터리다. 대부분의 자동차 업체가 대형 원통형 배터리를 채택한다면 CATL은 생산 전략을 바꿔야 하기 때문에 비용이 매우 많이 들 것이다.

CATL 측 관계자는 36Kr에 "닝 왕은 표면적으로는 큰 칼럼을 지지하지 않지만 개인적으로는 누구보다 많은 돈을 투자한다"고 말했다.

36Kr을 분석한 결과 CATL은 효율성이 약 150PPM에 달하는 대형 원통형 배터리 생산라인을 보유하고 있다고 밝혔다. 생산라인 비용과 생산된 폐기 셀로 계산하면 투자액은 보수적으로 수억 위안으로 추산된다.

Tesla는 원통형 배터리의 생산 효율성을 높이 평가합니다. 원통형 셀의 권취 형태는 이론상 화장지 롤의 생산 방식과 동일하다. 현재 CATL의 권취 속도는 분당 100미터로 이미 배터리 업계 최고 수준이다. 분당 1000미터에 쉽게 도달합니다.

배터리 생산 공정에는 여전히 개선의 여지가 큽니다. 이것이 머스크가 고집스럽게 4680을 개발한 이유 중 하나입니다. 그는 전통적인 자동차 제조 방식을 바꾸듯이 배터리 제조 방식도 바꾸고 싶어합니다.

머스크의 초기 기대에 따르면 4680 배터리는 배터리 제조 비용을 약 20%, 장비 투자 비용을 35%, 공장 면적을 70% 줄일 수 있다.

이 배터리 솔루션은 더 많은 이익을 얻기 위해 더 저렴한 배터리를 사용하여 더 저렴한 자동차를 만들고 연구 개발 및 생산 능력 확장에 투자하는 Tesla의 다음 대규모 확장의 기초입니다. 이 주기는 전기 자동차 시대의 도래를 가속화하고 지속 가능한 에너지로의 세계 전환을 가속화한다는 Musk의 원대한 비전을 계속해서 달성하고 있습니다.

이러한 비전을 위한 제조 기반을 제공하는 것은 최종 도약을 앞둔 것으로 보이는 대형 원통형 배터리입니다.