테슬라 배터리 주요 특허 살펴보기 (쿨링 스네이크, 유전체 냉각방식)

원문 :  https://insideevs.com/news/389322/tesla-cybertruck-semi-radical-new-battery/

번역본 : 클리앙 https://www.clien.net/service/board/cm_car/14418790

테슬라가 차세대 배터리 기술에 대해서 뭔가를 숨기고 있다는 점은 공공연한 사실인데요. 내년 연초에 예정되어 있는 ‘파워트레인과 배터리 기술’ 주주 발표회 때 어떤 내용이 있을 지 살짝 예상해보겠습니다.

 

테슬라는 우리에게 여러가지 힌트를 주고 있습니다. 테슬라는 자체 배터리 생산 라인을 갖출것이며 이러한 배터리 공정은 완전히 새로운 프로세스일 겁니다. 배터리 생산기기 업체인 ‘HIBAR’를 인수하고 건식제조 공정이 있는 ‘MAXWELL’또한 인수햇습니다. 이제 새로운 배터리 팩을 위한 완전히 새로운 제조 방법에 대한 테슬라의 특허와 이 내용을 같이 혼합해서 생각해보겠습니다.

 

더이상 테슬라는 한공장이 셀을 만들고(PANASONIC/TESLA 의 네바다 공장 또는 중국의 경우 LG OR CATL) 다른 공장이 팩을 만드는(TESLA NEVADA 공장, 테슬라 샹하이 공장) 두개의 별도 제조 공정을 갖지 않을 겁니다(참고: 테슬라는 제3업체로부터 셀을 구입하여 테슬라 자체적으로 모듈과 팩을 만들고 있습니다)

 

테슬라의 새로운 접근 방식은 두가지 제조 공정을 하나로 통합합니다. 이제 배터리는 제조 때부터 개별 셀단위가 아닌 '셀그룹' 단위가 될 겁니다. 이러한 셀그룹은 레고블럭처럼 조립되어 하나의 배터리 팩에 조립됩니다(아래 특허 내용 참조).

 

 

쿨링 스네이크와 배터리 조립 프레임

그럼 냉각 시스템은 어떻게되는걸까요? 현재의 테슬라는 아래와 같은 사진의 ‘쿨링 스네이크’라는 독창적인 방식을 사용하고 있습니다

 

실제 쿨링 스네이크 모습

그렇다면 이러한 쿨링 스네이크 방식 없이 배터리셀을 어떻게 식힐 수 있을까요? 우리는 그 힌트가 테슬라의 공개된 특허와 리비안(아마존/포드가 투자하고 있는 전기차 픽업트럭 개발 업체)에 있다고 생각합니다.

 

리비안/테슬라 그리고 세미트럭/사이버트럭의 공통점이 무엇일까요?

바로  배터리를 ‘쌓는다’ 라는 개녑입니다. 리비안은 아래 그리과 같이 2개의 배터리 층사이에 쿨링용 평판을 사용합니다. 층을 쌓는 방식에 적절한 솔루션입니다.

그러나 이러한 방식의 문제는 테슬라의 쿨링 스네이크 보다 냉각에 효과적이이 않다는 점입니다(역주: 냉각 판과 셀사이의 접하는 표면적이 쿨링 스네이크 방식이 훨씬 큼). 이를 통해 테슬라의 특허그림과 같이 냉각 유체에 직접 배터리를 침지 시키는 방식에 대한 이유가 설명 됩니다. 배터리 셀은 냉각유체에 직접 침지되어 열전달(냉각)에 대단히 우수합니다(역자주: 아래 그림에서 보듯이 아예 그냥 배터리 셀이 냉각유체에 잠기는 방식임).

 

이는 셀과 접하고있는 평판으로만 냉각되는 포르쉐 타이칸이나 아우디 이트론과는 달리, 배터리셀을 감싸는 냉각 유체를 통해서 배터리 셀과 팩을 전체적으로 냉각을 합니다. 이는 쿨링 스네이크 방식이 아닌 평판 내각 판 + 엔지니어링 유체(셀을 감싸고 팩과도 접하는)를 합친 새로운 방식입니다.

 

그렇다면 셀 자체는 어떨까요? 우리는 테슬라가 Maxwell의 건식 전극 제조 공정으로 만든 더 두꺼운 전극 셀을 사용하여 오늘날의 기존 셀화학식을 사용하더라도 에너지 밀도를 증가시킬 것이라고 추측합니다. 두꺼운 전극은 낮은 C율을 의미합니다. 그렇기 때문에 사이버트럭과 세미트럭은 더 배터리가 크므로(C율이 낮음) 완벽하게 해당 기술에 부합합니다. 사이버트럭의 경우 250kwh, 세미트럭의 경우 900kwh 가 예상(팩 용량이)됩니다. 또한 elecrek은 해커가 모델 3용 100kwh 배터리의 증거를 발견했다고도 뉴스에서 밝혔었습니다.

 

큰 배터리(건식 전극 제조공정)의 또 다른 장점은 내부 저항이 낮아 발열량이 적고 냉각이 상대적으로 많이 필요하지 않다는 것입니다.

(표: 더 두꺼운 전극은 더 큰 에너지 밀도와 더 저렴한 배터리를 뜻함)

(역자주: 모S/X의 18650 에서 현재 모3의 2170 변경되면서, 배터리 자체 기술과 내부 화학식은 큰 변화 없었어도 단위량 밀도는 훨씬 커지고 용량당 배터리 가격도 훨씬 저렴해짐. 이러한 공식이 크기가 더 커질 것으로 예상되는 건식 배터리에도 그대로 적용될 것임)

 

정리하자면, 테슬라는 기존의 공정에서 완전히 일신된 새로운 배터리 팩 제조공정을 적용하여 비용을 크게 낮추고 성능도 향상시킬 것으로 보입니다.

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