테슬라, '원통형배터리' 양산 임박…전기차 원가절감 파급력 주목

테슬라가 2020년 공개한 중대형 원통형배터리(4680 배터리)의 양산 계획을 올해 실현한다면 전기차 시장에 큰 변화가 일어날 수 있다는 진단이 나왔다.

7일 한국자동차연구원은 ‘조용한 혁신, 테슬라 중대형 원통형배터리’라는 보고서를 통해 테슬라의 원통형배터리가 전기차 생산성과 원가 절감에 크게 기여할 것으로 분석했다.

보통 전기차용 배터리는 유형별(각형, 파우치형, 원통형)로 각각의 특징이 존재한다. 배터리 제조사의 보유기술과 완성차 업체의 설계 철학에 따라 원하는 유형의 배터리를 전기차에 채택하는 추세다.

원통형배터리는 1991년 소니가 처음으로 상용화에 성공했다. 자사 캠코더의 경쟁력을 향상 시킬 목적으로 세계 최초로 원통형 리튬이온배터리를 선보였으며, 이후 소비자 가전에 원통형배터리가 대중적으로 사용됐다. 당시 사용한 규격인 18650 형번은 배터리 지름 18mm에 높이 65mm를, 마지막의 0은 원통형을 의미했다.

테슬라는 소비자 가전에서 표준적으로 쓰인 18650 원통형배터리를 2008년에 출시한 ‘로드스터’에 탑재해 처음으로 전기차의 원통형배터리 적용 가능성을 입증했다. 2017년에는 기존에 사용한 18650 배터리의 지름과 높이를 키운 21700 배터리를 ‘모델3’에 채택했다. 단전지의 에너지 증가와 함께 원통형배터리의 원가경쟁력을 강화한 것으로 평가받고 있다. 

테슬라는 지난해 4분기 실적발표에서 올해 4680 배터리를 탑재한 ‘모델Y’ 양산 개시를 선언했다. 파나소닉과 협력해 4680 배터리의 양산성을 개선하기 위한 테스트 양산을 진행하는 것으로 알려졌다. 4680 배터리는 기존 21700 배터리보다 크다. 지름이 46mm에 높이는 80mm의 중대형 원통형배터리로, 단전지 용량을 증가시켜 발생할 수 있는 단점들을 상쇄시키는 새로운 설계 기술을 도입했다.

또한 단전지 크기 확대에 따른 충전시간 증가는 전기저항 감소로 낮췄고, 원통형배터리 형상에 패키징 시 발생하는 불용공간의 단점을 보강했다. 여기에 건식전극기술과 공정속도 개선을 통해 생산속도를 높였으며, 단전지의 크기 증가에 힘입어 배터리 활성화 공정에 필요한 자원을 감소시켜 원가절감을 실현했다. 

한국자동차연구원은 테슬라의 4680 배터리 개발의 핵심 의도가 생산성 개선을 통한 배터리 원가절감 효과라고 분석했다. 테슬라는 자사 차량이 각국의 전기차 구매보조금 없이도 내연기관차 수준의 가격 경쟁력을 확보할 수 있도록 다양한 방안을 마련하고 있다. 자체적으로 2025년까지 배터리 가격을 60달러/kWh까지 낮출 계획이다.

아울러 전기차의 핵심인 배터리 기술 내재화를 통해 시장 경쟁에서 주도권을 유지하겠다는 청사진이다. 전기차 생산원가의 40%에 이르는 배터리 기술 내재화를 통해 대형 배터리 업체에 헤게모니를 넘겨주지 않고 기술 최적화와 원가 통제력을 유지하겠다는 계획이다.

테슬라의 4680 배터리 등장 이후 배터리 업체들은 기존 중대형 각형과 파우치형에 집중할 것인지, 테슬라가 제시한 중대형 원통형에 상응하는 고속공정에 집중할 것인지 선택의 기로에 놓였다는 관측이다. 삼성SDI와 LG에너지솔루션은 테슬라 및 타 완성차사의 중대형 원통형배터리 수주에 대비해 연구개발과 양산을 준비 중인 것으로 알려졌다.

완성차 업체들은 기존 중대형 각형과 파우치형을 차용하는 상황에서 중대형 원통형배터리를 탑재한 전기차로 인해 가격 경쟁력 확보에 난항을 겪을 가능성이 존재한다.

장대석 한국자동차연구원 선임연구원은 “차세대 이차전지 기술(리튬-공기전지, 리튬-황전지, 리튬메탈전지, 전고체전지 등)이 상용화되기 전까지 전기차 배터리의 원가와 양산성은 완성차 업체들이 극복해야 할 과제”라고 진단했다.
 

[자료=한국자동차연구원]