4680 원통형 전지, 누가 강자가 될 것인가?

테슬라가 2020년 9월 22일 배터리데이 행사에서 4680 사이즈의 중대형 원통형 전지를 새로운 목표로 제시하면서 업계 최초로 중대형 원통형 전지를 도입하는 회사가 되었다. 지름 46mm의 4680 사이즈의 중대형 전지는 시작에 불과하고, 이것보다 지름과 높이가 더 큰 진정한 의미의 중대형 원통형 전지가 개발된다면 목표 가격인 $100/kWh의 벽을 넘으면서 BEV가 생존 가능할 것이다.

테슬라는 파나소닉의 18650 원통형 전지만 사용하다가 물량이 부족해지자 21700 원통형 전지로 전지 크기를 키우면서 한국의 LG에너지솔루션과 중국의 CATL에게도 공급 기회를 제공했다. 테슬라는 2020년대에 4680(지름 46mm, 높이 80mm) 원통형 전지 개발을 추진하면서 중대형 원통형 배터리의 양산 단계에 돌입했다. 4680 원통형 전지 개발에는 테슬라, 파나소닉, LG에너지솔루션, 삼성SDI, CATL 등의 주요 전지 업체들이 달려들고 있다.


LG에너지솔루션, 4680 배터리 양산 투자 돌입

LG가 4680 배터리셀의 양산을 위한 마지막 단계의 투자를 진행하고 있고, 향후 양산 라인을 통해 Tesla와 같은 고성능 배터리를 요구하는 고객사들을 위한 제품 공급을 본격적으로 시작할 예정이다. LG가 생산한 4680 배터리가 테슬라의 사이버트럭이나 세미트럭에 장착되어 고객에게 인도될 가능성이 점점 커지고 있다.

하지만 현재 테슬라가 4680 배터리를 장착하여 양산할 차량 모델들은 미국에서 생산되어 북미 시장에 공급될 것으로 예상되고 있다. 결국 4680 배터리가 한국에서 생산되어 테슬라의 미국 공장에 납품될 경우에는 물류 비용을 비롯한 추가적인 비용이 필연적으로 발생하게 될 것이고 또한 현재 보여지고 있는 미국 정부의 행태나 Tesla의 장기적인 배터리 내재화 계획 등을 고려하면 LG 오창 에너지플랜트가 테슬라 EV용 배터리 공급 기지 역할을 장기적으로 유지하기는 어려울 것으로 예상된다.

GM, 파우치형 배터리에서 원통형 배터리로?

GM은 LG에너지솔루션과의 협력을 본격화하면서 파우치형 배터리를 기준으로 전기차를 설계, 생산해왔지만 원통형에 대한 관심이 높아진 것으로 보인다. 만일 원통형을 채택하게 된다면 파우치형 배터리를 생산하는 Ultium Cells 1-3공장과는 다른 장비와 소재, 제조 공정을 처음부터 익혀야 하는데 그럼에도 불구하고 원통형 배터리 도입을 진지하게 생각하고 있다면 – 합리적인 판단에서 도출된 결과라면 – 원통형 배터리의 생산성에 매력을 느꼈을 것이다.

재료비 비중이 높은 조립 산업인 배터리 제조에서 원가를 줄이는 좋은 방법 중 하나가 생산성을 높여 대당 고정비를 낮추면서 생산량을 늘리고 여기에 재료비 절감을 조합하는 것이기 때문이다.

삼성SDI도 차세대 전기차 배터리로 주목받는 지름 46㎜ 원통형 배터리 양산 준비에 착수했다. 이달부터 천안에 46파이 배터리 생산 설비를 갖춘다.포스코는 4680급 차세대 원통형 배터리 케이스 소재를 개발할 계획이다.

테슬라는 4680 배터리 셀 생산량이 주당 1,000대 이상 자동차 생산을 지원할 수 있는 수준에 도달했음을 확인했다.

테슬라는 왜 중대형 원통형 배터리를 원하는가?

Tesla는 18650 원통형 전지를 전기차에 적용한 최초의 자동차 회사이다. 7,000개 이상의 전지 셀을 연결하여 전기차가 요구하는 전압과 용량에 대응하는 무리수를 두면서까지 원통형 전지를 고수했다. Tesla는 2020년 9월 22일 배터리데이 행사에서 4680 사이즈의 중대형 원통형 전지를 새로운 목표로 제시하면서 업계 최초로 중대형 원통형 전지를 도입하는 회사가 되었다. 기가팩토리(Gigafactory)를 최초로 추진한 업체도 Tesla이다. Tesla의 이런 전략은 전기차용 전지는 공장 자동화를 통한 무인공장이 되지 않으면 승산이 없다는 것을 알았기 때문인지 모른다.

지름 46mm의 4680 사이즈의 중대형 전지는 시작에 불과하고, 이것보다 지름과 높이가 더 큰 진정한 의미의 중대형 원통형 전지가 개발된다면 목표 가격인 $100/kWh의 벽을 넘으면서 BEV가 생존 가능할 것이다. 중국은 2020년에 $100/kWh의 목표 가격을 달성하지 못하자 2020년 12월까지 주기로 한 정부 보조금 제도를 2년 더 연장하여 2022년 12월까지 주었다. 2022년 12월이 되었으나 전지는 또 한 번 목표 가격 달성에 실패했다. 중국 정부는 2023년 1월 1일부터 전기차 보조금 제도를 폐지하면서 더 이상의 지원은 없다는 것을 분명히 했다. BEV는 이제 시장 논리에 의하여 생존 여부가 결정될 것이다. 중대형 원통형 전지가 주력 전지가 되지 못한다면 BEV는 대륙 횡단용 차량에서 시내 주행용으로 위상이 격하되면서 시장이 급격히 위축될 것으로 보인다.

원통형 전지는 중대형 전지로 가는 길을 찾고 있는 중이다. 1991년 Sony가 리튬 이온 전지를 상업화할 때 두 종류의 원통형 전지를 출시했다. 건전지에서 가장 많이 사용하는 전지인 AA 사이즈의 14500(지름 14mm, 높이 50mm) 원통형 전지와 캠코더에서 사용하는 니카드전지 사이즈인 20500(지름 20mm, 높이 50mm) 원통형 전지이다. 20500 원통형 전지가 캠코더에 잘 맞지 않는다는 생각에 1992년에는 캠코더용 전지로 20500 원통형 전지와 용량이 같은 전지로 18650(지름 18mm, 높이 65mm) 원통형 전지를 출시하면서, 리튬 이온 전지는 기존의 전지 표준 규격과는 다른 길을 갈 것임을 보여주었다. 용량이 더 필요하자, 1990년대 말 21700(지름 21mm, 높이 70mm) 원통형 전지가 일본에서 개발되었다. 후발업체인 LG에너지솔루션과 삼성SDI는 일본보다 10년 이상 늦게 21700 원통형 전지를 개발하게 된다.

(자료 : 배터리 인사이드 : batteryinside.com)
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