테슬라 전기차들이 원통형 배터리를 쓰는이유는?

보통 노트북이나 전기차, 스마트폰이나 전자기기에 들어가는 배터리는 파우치형태의 리튬이온배터리를 케이스에 담아 모듈화한 배터리를 사용합니다. 하지만 테슬라는 다른 전기차들의 배터리와 다른 형태의 배터리를 사용하고 있습니다. 바로 건전지처럼 생긴 원통형 배터리이죠.

원통형 배터리는 오래된 노트북의 분리형 배터리에 사용되던 배터리입니다. 리튬이온배터리를 사용 초기에 이 원통형 배터리는 기본적으로 18650 형태의 배터리였고, 테슬라는 초기에 이 형태의 배터리를 사용해서 테슬라 로드스터와 모델S 및 모델x를 출시하죠. 이후로 모델3부터 2170 배터리로 형태를 바꾸고, 앞으로 사용될 배터리가 4680 형태로 배터리를 개선시길 계획을 가지고 있습니다.

오늘은 테슬라에 사용되고 있는 배터리의 형태와 형태에 따른 특징에 대해 이야기해보도록 하겠습니다.

많은 분들이 아시다시피 앞서 배터리 앞에 붙는 숫자들은 배터리의 크기를 의미합니다. 18*65mm의 배터리가 18650, 21*70mm의 배터리가 2170, 일론 머스크가 18650의 0이 왜 붙는지 의미가 없다고 생각해서 뒤로부터 테슬라에서 개발한 규격의 배터리는 끝의 0을 제외한 4자리 숫자를 갖게 됩니다.

처음에 테슬라에서 원통형의 배터리를 쓰기 시작한 것은 흔하고 싸고 구하기 쉬워서였습니다. 초기에 사용한 배터리는 3.7v짜리 배터리를 연결해놓은거죠. 이미 많은 부문에서 사용되고 있고, 생산하는 곳도 많고 안정적으로 생산이 되는 만큼 원가도 쌌기 때문이죠. 그들 중 테슬라는 파나소닉으로부터 공급받아 제조를 했죠.

막상 초기에 가성비를 목적으로 원통형 배터리를 사용하기는 했지만 이로 인한 다른 장점이 또 있었습니다.

의도했는지는 모르겠지만. 냉각효율이 파우치 형태보다 좋고, 불의의 사고나 배터리의 열폭주현상 발생시에도 파우치형태보다 안정적이었죠. 파우치 형태의 배터리는 열폭주 현상 발생시 접촉하는 면적이 높아서 바로 옆의 배터리 셀로의 열전달이 원통형 배터리보다 훨씬 높았다고 합니다. 또한, 원통형 배터리 특성상 밀집시켜 놓았을 때 생기는 어쩔 수 없는 빈공간이 있는데, 이 공간을 열전도도가 높으며 일정 온도에서 상변화물질로 채워 놓게 되면, 한 셀에서 발생한 열이 옆의 셀로 쉽게 전달되지 않고 해당 셀이 있는 공간에 갇히게 되어 열폭주를 저지할 수 있게 되는 거죠. 앞서 말씀드린 상변화란, 얼음이 물이 되는 것과 같이 고체에서 액체로 상이 변화하는 것을 의미하는데, 상이 변화할 때 해당 물질은 상변화를 위해 에너지를 모두 소모하기 때문에 상변화가 끝날 때까지 열이 증가하지 않죠, 그렇기 때문에 배터리 쿨링 시스템에 상변화 물질을 고려하고 있는 연구논문과 특허가 많이 나와있습니다.

이러한 특징으로 인해 한개의 배터리 셀이 열폭주현상으로 터진다고 하더라도, 주변 셀로 그 열이 모두 전달되기까지 시간이 오래 걸릴 뿐 아니라, 셀을 감싸고 있는 물질로 인해 폭주열이 상변화로 방출되고 외부에 열을 방출하며 다른 배터리 셀을 보호하게 되는 것이죠.

위 사진은 모델3의 충돌사고로 인해 불이 난 배터리인데, 열폭주가 발생하게 되면 모든 셀이 다 타버릴 때까지 불이나서 형체를 알아볼 수 없을 텐데, 위의 모델3의 경우에는 일부 배터리가 타버리고 다른 셀들은 보존이 되어있었다고 합니다.

이후 에너지밀도와 설계등을 새로해서 개발한 4680배터리가 있습니다. 사이즈의 변화 뿐 만 아니라 기존에 탭이 있는 형태의 배터리에서 탭이 없는 형태. 즉, 탭 리스 방식 배터리로 내구성을 증가시켰다고도 합니다. 위의 배터리의 사진을 보면 끝에 모여 있는 구리색의 안쪽으로 접혀 들어간 것이 탭인데 각 극의 끝단입니다. 탭리스라고 탭이 없는 것이 아니라, 기존에 한쪽으로 +,-로 탭이 있던 것이, 여러 개로 되어있는 것이 탭리스 배터리 입니다. 탭은 배터리 수명에 큰 영향을 미쳤는데, 이를 여러 탭으로 분산시켜 내구도를 증가시켰다고 합니다.

[W. Zhao et al. / Journal of Power Sources 257 (2014)]

위 그림이 탭리스 배터리에 대해 설명한 논문에서 가져온 그림인데요. 위에 있는 배터리가 일반적인 배터리로 배터리를 풀었을 때 한쪽 끝에 탭이 있는 배터리이며, 아래 배터리는 탭리스 배터리로 여러 탭이 있는 것을 보실 수 있습니다. 이로인해 전류가 한쪽 탭으로 흐르는 것이 아니라 여러 탭으로 흘러 가면서 한쪽 탭으로 집중되던 부담을 분산시켜준다고 합니다.

 

제가 전문가가 아니라 자세한 설명을 드리지는 못하지만, 제가 아는 선에서 최대한 이해하기 쉽게 설명해봤습니다. 제가 잘못 알고 있는 내용도 있을 테니 잘못된점은 댓글로 꼭 남겨주세요.

감사합니다.