우리 카지노 폼팩터 전쟁: 테슬라는 왜 원통형 우리 카지노를 쓰나

[요약]

1. 테슬라가 처음 원통형 우리 카지노를 사용하기 시작한 이유는,1) 상대적으로 수급이 용이하고 2) 우리 카지노 제조사와의 협상에서 불리한 위치를 피할 수 있다는 장점 때문이었습니다.

2. 이후 테슬라는 원통형 우리 카지노의 단점을 극복하기 위해,전기차 전용 플랫폼과 Structual Pack이란 새로운 구조를 설계하고, 4680이란 새로운 우리 카지노 폼팩터를 개발합니다.

3. 뿐만 아니라 시장 변화에 따라 원통형 우리 카지노의 높은 안전성과 생산성이 주목받으면서, 테슬라는 현재까지 원통형 우리 카지노를 메인 폼팩터로 고집하고 있고, 경쟁자들 역시 이에 주목하며 모방하려 하고 있습니다.

원통형? 파우치형? 각형?

테슬라와 전기차 산업에 대해 관심 있는 분이라면 우리 카지노 셀의 폼팩터에 대해 한번쯤은 들어보셨을 겁니다. 현재 전기차에 사용되는 우리 카지노 셀의 폼팩터는 크게 3종류로 나뉩니다. 파우치형, 각형, 그리고 원통형인데요. 본격적인 이야기에 앞서, 3가지 폼팩터의 특징과 장단점을 ‘간단히만’ 집고 넘어가보려 합니다.

(만약 3가지가 어떻게 다른지 이미 알고 계신 분이라면, 다음 파트로 넘어가셔도 좋습니다.)

3가지 폼팩터간 비교 (사진 출처: News1)

이름에서 알 수 있듯, 이 3가지는 일단 '형태'부터 다릅니다. 각형은 이름 그대로 직사각형의 알루미늄 금속 캔 형태입니다. 파우치형은 금속 캔 대신 직사각형의 플라스틱 재질 케이스로 되어 있고요. 원통형은 원기둥 형태의 금속 캔입니다.

'크기'도 다른데요. 각형과 파우치형은 상대적으로 크기가 커서 중대형 우리 카지노로 분류되는 반면, 원통형은 크기가 작아 소형 우리 카지노로 분류됩니다. 크기가 작으면 하나의 우리 카지노 팩을 만들기 위해 더 많은 셀이 필요하겠죠. 실제로 파우치형을 사용하는 폭스바겐 ID.4에는 약 288개의 셀이 사용되는 반면, 원통형을 사용하는 테슬라 모델 Y에는 약 4,400여개의 셀이 사용되는 것으로 알려져 있습니다.

이렇게 상이한 형태와 크기로 인해, 각 폼팩터의 장단점 역시 갈립니다.

각형은 단단한 금속 캔 안에 우리 카지노를 보관하는 만큼, 상대적으로 외부 충격에 강하다는 장점이 있습니다. 파우치형은 케이스가 플라스틱 재질인만큼 형태 변형이 용이하지만 안전성은 좀 더 취약하고요. 원통형은 상대적으로 저렴하고 만들기 쉽다는 장점이 있지만, 팩 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있습니다.

신기하게도, 전기차 제조사마다 사용하는 우리 카지노 폼팩터가 서로 상이합니다. 미국 OEM들은 파우치를, 중국 OEM들은 각형을 주로 사용하고 있는데요. 테슬라는 특이하게 전통 OEM들이 잘 사용하지 않는 원통형 우리 카지노 사용을 고수하고 있습니다.

왼쪽부터 파우치형, 원통형, 각형 우리 카지노의 모습 (사진 출처: Battery packaging - Technology review, Eric Maiser)

테슬라는 왜 원통형을 쓰기 시작했을까?

2000년대 초반, 테슬라는 일찍이 그 최초의 제품인 로드스터부터 원통형 우리 카지노를 채택했습니다. 이유는 간단한데요. 원통형의 수급이 각형이나 파우치형보다 원활했기 때문입니다.

다른 폼팩터와 원통형의 가장 큰 차이점은, 원통형의 사이즈가 '표준화'되어 있다는 점입니다. 파우치형이나 각형은 고객의 니즈에 맞게 제작되는 커스터마이징 제품이라 차종/고객사에 따라 사이즈가 천차만별입니다. 바꿔서 말하면, 파우치/각형 우리 카지노를 구매하기 위해서는 기존에 다른 제조사에 판매 중인 제품을 사다 쓸 수 없다는 겁니다. 파우치형/각형 우리 카지노를 쓰고 싶다면, 테슬라만을 위한 전용 제품을 새로 개발해서 주문 제작해야 하는 상황이었습니다.

그런데 일반적으로 우리 카지노를 새로 개발하고 생산하기 위해서는 최소 1~10만개 단위의 주문 수량을 만족시켜야 합니다. 우리 카지노 제조사 입장에서도 나름 많은 돈과 인력을 들여 새로운 부품을 개발하고 생산해야 하니까요. 하지만 이제 막 자동차 연구를 시작해서 프로토타입을 만들고 있는 스타트업이 개당 수 천만원이나 하는 우리 카지노를 몇 만 개씩 주문할 수 있었을까요?

설사 우리 카지노 제조사를 어르고 달래서 소량 주문에 성공했다고 해도, 그 주문 조건을 협의하는 데 있어 테슬라는 절대적 ‘을’이 돼 끌려다닐 수밖에 없었을 겁니다. 전용 제품이라는 특성상, 공급업체를 바꾸기 쉽지 않아 하나의 우리 카지노 제조사에 절대적으로 의존할 수밖에 없었을테니까요. 당시 테슬라는 우리 카지노가 없으면 당장 제품을 만들지 못하는 절박한 상황에 놓인 작디 작은 스타트업이었습니다.

반면에, 원통형 우리 카지노는 그 때부터 지금까지도 전세계적으로 표준화된 사이즈의 제품이 판매되고 있습니다. 2000년대 초반 테슬라가 우리 카지노를 찾아다니던 당시에는 지름 18mm, 세로 65mm의 1865 우리 카지노가 여러 제조사에 의해 양산 판매되고 있었습니다. 당시만 해도 전기차가 전무하다시피했던 시절이라 노트북이나 캠코더 같은 IT 제품에 쓰이고 있었습니다.

이런 1865 우리 카지노를 최초로 전기차에 적용한 게 테슬라였는데요.원통형 우리 카지노는 표준화된 사이즈로 여러 공급사에 의해 대량 공급되고 있었기에, 전용 제품을 개발하지 않아도 됐고, 소량 구매도 가능했으며, 쉽게 공급사를 바꿀 수도 있어서 공급사 입김에 휘둘리지 않아도 된다는 장점이 있었습니다.

이런 이유로 테슬라는 일찍부터 원통형 우리 카지노를 사용해 전기차를 만들기 시작했습니다. 테슬라보다 몇 년 뒤쳐져 같은 길을 걸어가고 있는 리비안이나 루시드 모터스 같은 EV스타트업들이 원통형 우리 카지노를 사용해 전기차를 만들고 있는 것도 이와 마찬가지의 이유라고 보면 됩니다.

테슬라는 왜 지금도 원통형을 쓸까?

여기까지 읽으셨다면, 아마 이런 의문이 생기실 겁니다.

“사업 초반에 작은 스타트업이라 우리 카지노 구하기 힘들고 제조사에 끌려다니기 싫어서 원통형 우리 카지노를 썼다는 건 이해가 갑니다. 그런데 이제는 테슬라가 예전만큼 작은 회사가 아니고 오히려 우리 카지노 제조사보다 커졌는데, 왜 아직도 원통형을 쓰나요?” 라고 말입니다.

실제로테슬라는CATL의각형우리 카지노를일부사용하고있지만, 현재까지도메인폼팩터로원통형우리 카지노를고수하고있습니다. 단순히사용하는데그치지않고, 4680이라는새로운형태까지개발하면서원통형우리 카지노의발전과보급을리드하고있는데요.

이렇게테슬라가원통형우리 카지노를고수하는이유는, 시간이흐르면서원통형우리 카지노의단점은보완되고, 장점이부각되고있기때문입니다.

1. 원통형 우리 카지노에는 어떤 단점이 있나?

각형/파우치형에 단점이 있는 것처럼, 원통형에도 분명히 단점이 있습니다.

첫째로, 에너지 밀도가 낮습니다.“아니 언론 기사에는 원통형이 에너지 밀도가 높다고 나와있는데, 무슨 소리냐?”라고 하실 수 있을 겁니다. 하지만 여기서 말하는 에너지 밀도는, '셀'이 아닌 '팩' 단위의 에너지 밀도입니다.

셀, 모듈, 팩의 대략적인 개념 (사진 출처: Automotive Cells Co)

낱개단위의‘셀’ 여러개를묶어‘모듈’을만들고, 다시‘모듈’ 여러개를묶어‘팩’을구성함으로써전기차우리 카지노가완성돼자동차동력원으로쓰일수있게됩니다. 그런데앞서말한것처럼, 원통형은크기가작고둥근원기둥형태입니다. 때문에, 팩이나모듈로구성했을때아래그림처럼구조상필연적으로셀과셀사이의빈공간, Dead Space가많이발생합니다. 바꿔말하면, 우리 카지노를채우지못하고버리는공간들이생긴다는겁니다. (물론실제원통형우리 카지노팩에서는이Dead Space를모두빈공간으로그대로버리지는않고발화방지를위한냉각제, 발화방지물질을채웁니다)

때문에 이런 Dead Space가 상대적으로 적은 파우치형이나 각형에 비해, 원통형은 팩 단위 에너지 밀도가 떨어질 수밖에 없습니다.

둘째로, 팩으로 만들기 까다롭습니다.파우치/각형은 원통형보다 사이즈가 큽니다. 때문에 파우치/각형 셀로 구성된 우리 카지노 팩에는 300-400개 내외의 셀이 사용됩니다. 반면 원통형은 사이즈가 훨씬 작기 때문에 1865 기준으로 약 7,000개, 2170 기준으로 약 4,000개 정도의 셀이 있어야 하나의 우리 카지노 팩을 만들 수 있습니다.

7,000여 개의 18650 셀로 구성된 모델 S 우리 카지노 팩 (사진 출처: InsideEVs)

이렇게셀개수가많으면무슨 문제가 있을까요?

일단제조부터까다로워집니다. 일단수천개의셀을일일이용접해서연결해야하겠죠? 테슬라모델Y에는약4,400개의2170 우리 카지노가들어간다고합니다. 팩으로만들기위해서는셀당4번의용접을거쳐야한다고하는데요. 때문에팩하나를만들기위해셀연결에만무려17,600번의용접이필요한겁니다.

관리도 까다로워집니다. 충전이나 방전을 진행할 때, 특정 셀만 과도하게 충전된다거나, 과도하게 방전된다면 화재나 불량이 발생합니다. 때문에 충방전 시 수많은 우리 카지노 셀의 개별 상태를 일일이 점검하고 이에 적합한 조건으로 사용해야 하는데요. 이런 관리를 위해 팩에는BMS(Battery Management System)이라는 부품이 들어갑니다. 그런데 셀이 300개일 때와, 4,000개일 때를 비교하면 어느 쪽이 더 관리가 어려울까요? 당연히 후자가 압도적으로 힘들겁니다. 때문에 원통형 우리 카지노 팩은 더 까다롭고 복잡한 셀 관리 기술을 필요로 합니다.

이런 단점들이 이제껏 원통형 우리 카지노 시장의 발목을 잡아왔는데요. 테슬라는 이를 자신만의 방법으로 극복하면서 원통형 우리 카지노를 누구보다도 효과적으로 활용하고 있습니다.

첫째,낮은에너지밀도- 차량과우리 카지노팩구조재설계로극복

테슬라는먼저차량구조부터뜯어고칩니다. 과거통상적인전기차는내연기관을들어내고그자리에우리 카지노를채우는, ‘개량형내연기관’의형태였습니다. 내연기관크기에우리 카지노를맞추다보니절대적공간의크기부터부족했고, 모양이맞지않아우리 카지노를넣지못하는Dead Space도필연적으로발생할수밖에없었습니다. 맞춤형제품인파우치/각형이야내연기관크기에맞게새로우리 카지노를개발하면되겠지만, 이미크기가1865/2170으로정형화되어있는원통형우리 카지노는그렇지 못하니에너지밀도가떨어질수밖에없었습니다.

차량 하부에 직사각형 형태로 우리 카지노 팩을 배치한 스케이트보드 형태의 플랫폼 (사진 출처: 테슬라)

그래서 테슬라는 자동차를 처음부터 다시 설계하는데요. 2014년 모델 S부터 '전기차 전용 플랫폼'을 도입합니다. 기존의 ‘내연기관 개량형’이 자동차를 만들고 여기에 맞는 우리 카지노 팩을 만드는 방식이었다면, ‘전기차 전용 플랫폼’은 우리 카지노 팩을 먼저 만들고 여기에 맞는 자동차를 만드는 방식이라 할 수 있습니다. 스케이트보드처럼 자동차 하부에 넓게 우리 카지노 팩을 깔고, 바퀴 사이에 모터를 넣습니다. 자동차 구조 자체를 우리 카지노를 탑재할 공간을 충분히 확보하는 방식으로 새로 설계한 겁니다. 이렇게 되면 우리 카지노를 넣을 수 있는 절대적인 공간 자체가 늘어나는 것은 물론이고, 원통형에 적합한 크기로 공간을 설계할 수 있기에 Dead Space까지 최소화할 수 있습니다.

여기서한걸음나아가, 테슬라는Structural Pack이란이름의혁신적인우리 카지노팩구조를도입하려합니다. 전기차우리 카지노를만들기위해선셀을모아모듈을만들고, 다시모듈을모아팩을만들어자동차에넣는다고했었죠? 여기서모듈과팩공정을생략하고, 셀상태에서바로자동차프레임에끼워넣어사용하는게바로Structural Pack의방식입니다.

자동차하부프레임은사람의척추나건물의철골기둥처럼자동차전체가뒤틀리지않게잡아주는뼈대역할을해주는데요. 원통형우리 카지노는그외피가금속캔으로되어있기에, 프레임과 함께 사용 시뼈대역할을할수있는충분한강성을확보할수있다고합니다. 이렇게Structural Pack (또다른이름으로는“Cell to Chassis”)이란구조로기존에모듈과팩이차지했던빈공간에더많은셀을넣음으로써, 팩단위의에너지밀도를극대화하는것이테슬라의계획입니다.

팩과 모듈을 생략한 Structural Battery Pack의 개념도 (사진 출처: 테슬라)

둘째, 팩제조/관리의높은난이도- 제조/관리가수월한새로운우리 카지노셀폼팩터개발

앞에서언급한Structural Pack구조와함께, 테슬라는2020년우리 카지노데이행사에서4680이란새로운원통형우리 카지노를발표하는데요. 말그대로지름46mm,높이80mm의'대형화'된원통형우리 카지노입니다. 기존2170 우리 카지노보다부피가5배나크기에, 우리 카지노팩을구성하는데더적은숫자의셀을필요로하는데요.

이렇게 셀 숫자가 적어지면 어떤 장점이 있을까요?

일단생산성이올라갑니다. 더빠르고쉽게만들수있다는건데요. 기존2170에서는우리 카지노팩하나에4,400개의셀이필요했다면, 4680은830개의셀만있으면됩니다. 최근Reuters통신의보도에의하면, 기존2170의셀당용접필요횟수가4번이었다면, 4680은그절반인2번으로줄어든다고하는데요. 기존에2170 팩에서셀연결에17,600번(4,400*4)의용접을필요로했다면, 4680팩에선그10분의1도안되는1,660번(830*2)으로줄어드는겁니다.

뿐만 아니라 셀 관리도 한결 쉬워지겠죠.BMS로 관리해야 할 셀의 갯수가 4,400개에서 830개로 줄어듭니다. 개수로만 단순 계산하면 4680 우리 카지노 팩의 관리 난이도는 2170 대비 5분의 1 수준은로 낮아지는 겁니다.

이렇게 테슬라는 우리 카지노 팩과 차량 구조를 처음부터 새롭게 설계하고 새로운 폼팩터까지 개발하면서 원통형 우리 카지노의 단점을 적극적으로 보완해나가고 있습니다. 이런 이유로 테슬라는 원통형 우리 카지노를 포기하지 않고 계속해서 고집해나갈 수 있는 겁니다.

2. 원통형 우리 카지노에는 어떤 장점이 있나?

다른 한편으로는, 시장 변화에 따라 기존에 원통형 우리 카지노가 갖고 있던 장점들이 더욱 부각되고 있습니다.

첫째로는 안전성입니다. 원통형은 다른 폼팩터에 비해 상대적으로 더 안전합니다.

우리 카지노팩의화재를막기위해가장중요한기능중하나는열폭주전파(Thermal Propagation)방지입니다. 쉽게말하면, 불량혹은외부충격에의한손상으로하나의우리 카지노셀에서화재가발생했을때다른셀로전파되지않도록해야한다는겁니다. 전파방지혹은 지연에실패한다면, 하나의셀만손상돼도우리 카지노팩전체가불타버리면서인명피해로연결됩니다. 때문에셀간의화재전파를근본적으로예방하거나, 최소한그전파속도를늦춰탑승자의대피시간을충분히확보하는것이우리 카지노설계에있어매우중요합니다.

셀 하나의 불량이 열 폭주를 야기하고, 다시 셀 간 열 폭주 전파로 이어집니다 (사진 출처: H.B.Fuller)

하지만 한국 우리 카지노 회사들의 주요 제품인 파우치형 우리 카지노의 경우, 플라스틱 성분의 케이스로 인해 상대적으로 외부 충격으로 인한 발화에 취약하고, 셀 간 연쇄발화로 연결되기도 쉽습니다. 반면 원통형 우리 카지노는 금속 캔을 케이스로 사용하기에 상대적으로 내구성이 높고 화재 전파 방지에 유리합니다. 뿐만 아니라 단 셀의 온도가 급격하게 상승할 시 우리 카지노 셀을 연결하는 금속 와이어가 녹아내려 끊어지며 전류를 차단하는 퓨즈 역할을 함으로써, 화재 전파를 방지해준다는 장점도 있습니다. 비유로 말하자면, 파우치 우리 카지노가 많은 계란을 한 바구니에 몰아 넣었다면, 원통형은 여러 바구니에 나눠 넣은 셈이라고 할 수 있을 것 같네요.

셀이 금속 와이어로 연결된 원통형 우리 카지노 팩의 모습 (사진 출처: EV West)

전기차 보급과 함께 화재 발생 빈도도 높아져 감에 따라 우리 카지노의 안전성 확보가 점점 중요해지고 있습니다. 화재를 염려해 전기차를 외면하는 소비자들도 늘어가고 있고, 세계 각국의 정부도 전기차의 화재 안전성에 대한 규제를 강화해나가고 있습니다. 이런 국면으로 인해 원통형 우리 카지노의 안전성이란 장점은 앞으로 점점 더 주목받을 수밖에 없을 거라고 저는 생각합니다.

두번째로는 생산성입니다. 원통형은 다른 폼팩터에 비해 대량 생산에 유리합니다. 상대적으로 공정이 단순하고 쉽기 때문인데요.

우리 카지노 셀 제조 공정은 크게 3가지, 전극 공정, 조립 공정, 활성화 공정으로 구성됩니다. 간단히 설명하면 전극 공정에서 얇은 금속 박막에 전극을 코팅하고, 조립 공정에서 이를 둘둘 말거나 쌓아서 케이스에 넣습니다. 그리고 나면 마지막으로 활성화 공정에서 충방전을 반복하면서 전기적 성질을 띠게 만들어 우리 카지노 셀이 완성됩니다.

그런데 첫번째와 세번째인 전극, 활성화 공정에선 원통형/파우치형/각형 3가지 폼팩터 간에 큰 공정 차이가 없습니다. 두번째 공정인 조립 공정에서 전극을 어떤 형태로 어떤 케이스에 넣냐가 폼팩터에 따라 크게 달라지는데요.

특히 전극을 어떤 형태로 만들어 케이스에 넣느냐에 있어 큰 차이가 있습니다.

파우치형과 각형의 경우, 전극을 일일이 잘라서 붙이고 쌓는‘스태킹(Stacking)’방식을 사용합니다. 가장 최신화된 스태킹 공법은 LG에너지솔루션과 SK온이 사용하고 있는 Z-스태킹이란 방법인데요. 아래 그림처럼 분리막을 Z형태로 만들어 그 사이사이에 양극과 음극을 넣어 전극을 쌓는 방식입니다. 그림만 봐도 뭔가 복잡하고 느릴 것 같아 보이는데요.

Z모양의 분리막 사이에 양극과 음극을 쌓는 Z스태킹 공법 (사진 출처: SK이노베이션)

반면에 원통형은 전극을 원형으로 말아서 금속 캔에 넣는‘와인딩(Winding)’방식을 사용합니다. 복잡할 것 없이 두루마리 휴지처럼 둘둘 말면 되기 때문에 상대적으로 쉽고 빠르게 할 수 있습니다. 이렇게 만드는 방식이 단순할 뿐만 아니라 생산을 시작한 역사도 오래됐기에 원통형은 더 높은 수율로 더 많은 셀을 만들어낼 수 있다는 장점이 있습니다.

전기차가 빠른 속도로 보급되면서 우리 카지노 셀 메이커들이 수 조 원대 증설 경쟁을 펼치고 있습니다. 그것마저 부족해서 테슬라와 폭스바겐 같은 OEM들은 직접 우리 카지노 제조에 나서고 있습니다. 이 모든 게 우리 카지노 수급이 불안정하고 쇼티지가 우려되기 때문일텐데요. 이런 상황으로 인해, 더 빠른 속도로 더 쉽게 제작이 가능하다는 원통형 우리 카지노의 장점이 더욱 더 부각될 것이라고 생각합니다.

전통 제조사들이 테슬라를 ‘잘’ 따라할 수 있을까?

여기까지 테슬라가 왜 원통형 우리 카지노를 쓰기 시작했고, 왜 지금까지 원통형 우리 카지노를 메인 폼팩터로 고집하고 있는지에 대해 길게 이야기해보았는데요.

제가이야기한이유들때문인지, 혹은다른숨겨진이유가있어서인지는몰라도, 이제까지파우치/각형에만의존하던전통자동차OEM들도테슬라를따라원통형우리 카지노를적극적으로도입하기시작했습니다. BMW, GM,스텔란티스등쟁쟁한OEM들이원통형우리 카지노를셀메이커로부터공급받거나직접개발하는방안을추진중에있습니다.

하지만과연다른제조사들이원통형우리 카지노를‘테슬라만큼잘사용할수있을지’는의문입니다. 단순히우리 카지노폼팩터만동일하게가져다쓰는것이아니라, 그단점을상쇄하고장점을극대화하는테슬라의개발, 제조역량까지따라잡을수있을까요? 이또한재미있게지켜볼만한포인트라고생각합니다.