과학

(기계,재료공학) 테슬라 배터리가 상용화되기 어려운 이유 

일단 나는 경력 꽤나 있는


국 3사 연구소 재직자임ㅎㅎ


테슬라에 환상을 갖는 사람들이 많아서 그냥 끄적여봄ㅋ


다들 2차전지 관심도 많아보이고 해서 이런게 있구나~ 라고만 알면 됨


이해하기 힘들어 한거 같아서 내용 더 추가해서


상술, 부연 넣어놨으니 쭉 보면 됨


먼저 세줄요약 감


1. 테슬라가 나름 획기적인 아이디어를 냈다


2. 근데 기술적인 이유로 위험하다


3. 그래서 현직자들도 회의적인 반응

 

1602587972.jpg

먼저 이게 현재 상용화된 원형 전지임


너희가 쓰는 리모콘이나 장난감에 쓰는 18650이 대표적인


원통형 전지라고 할 수 있음


근 20년 동안 2차전지가 발전해오며 3가지의 문제점을 맞이했는데


1. 용량 (에너지 밀도)


2. 크기 (부피)


3. 안정성


이렇게 됨


초기에는 리튬을 이용해 부피당 에너지 밀도를 늘리는데


급급했음 왜냐하면 그야말로 혁명이었기 때문임


너네 자동차에 있는 납축전지를 생각해보면 됨


충방전이 가능하지만 크고 무거운 납축전지를 들고 다닐순 없잖아?


근데 리튬을 이용한 전지는 부피당 에너지 밀도의 효율이


납축전지 보다 압도적으로 좋음


그렇기에 가볍고 작으며 용량이 높아서


휴대용 기기를 보급하는데 일등공신이 됨


근데 여기서 문제가 생김


기계공학이나 재료공학 (특히 야금학)을 전공한 게이중


제대로 배웠다면

1602587978.jpg

이게 뭔지 알거임


수지상정 (덴드라이트)이라고 불리는 놈임


수지상정은 금속이 용융 됐다가 굳으면서 내부에 생기는 결정체인데


굉장히 짜증나는 놈임


금속을 녹였다 식히면서 내부에 저 위의 수지상정이 나뭇가지처럼


퍼져나가는데 1차적으로 열처리 혹은 제련, 제강이 끝난


금속의 강도를 약하게 만듬


쉽게 생각해보면 그냥 실금이 내부에서 계속 퍼져나간다고 보면 됨


이 수지상정이 리튬에도 생김


화학시간에 주기율표를 배웠을텐데

1602587978-1.jpg

1족 원소는 알칼리성에다 반응성이 매우 좋아 폭발성이 굉장히 강함


수소, 나트륨, 칼륨 역시 1족 원소이고


하필은 리튬도 1족에 해당하는 알칼리성 금속이기에


반응성이 좋아 폭발하기 쉬움


게다가 금속이기에 수지상정이 생김


(물론 위와 다르게 금속의 열처리로 인해 생기는 것이 아니라 충방전 과정에서 전자가 이동하며 수지상정을 키움)


이 수지상정으로 인해 리튬의 부피가 증가하고


분리막을 뚫어 쇼트(단락)를 일으킴


그리고 터짐


가장 사고가 많이 나는 이유중 하나이고


리튬을 전지에 사용하는한 이는 숙명이라고 볼 수 있음


나트륨 이온도 1족 알칼리성 금속 원소이기 때문에


나트륨 이온 전지도 동일한 문제점이 있음


다시 본론으로 돌아와서


이런 리스크를 안고 있는 것이 리튬이기에

1602587979.jpg

저 사진에 214번 위로 보이는 안전장치를 달아둠


전지가 내부적 요인으로 폭발하는데는 몇가지 요인이 있는데


납품하는 전지들은 그 모든 요인을 싹 차단하고


심지어 외부손상으로 발생하는 문제도 어느정도 해결하게끔


설계가 되어 있음


너네가 쓰는 그 작은 원형전지에도 저런 안전장치가 있음


위에서 언급했다시피 초창기에는 미친듯이 용량을 늘리는데 집착하다가


리튬의 위험성이 다시 대두된 이후로


2차전지를 생산하는 대기업들은 원형, 각형, 파우치형 전지의 안전장치를


전담하는 부서가 생겼고 아직도 머리를 싸매는중임


ESS나 전기차, 심지어 스마트폰 배터리도 폭발했었지?


설계결함 낸 개발자들이랑 책임자들 다 잘리고 안전장치 부서는


지금도 목이 졸리고 두들겨 맞고 있음


여기서 테슬라가 획기적인 아이디어(라고 하기엔ㅋ)를 냄

1602587979-1.jpg

배터리 데이때 나와서 공개한 이 배터리는 뭐가 다르냐면

1602587979.jpg


저기 214번 위로 대가리를 싸그리 날려버리는거임


저 위에 안전장치들을 내장하기 위한


가공, 용접(레이저, 초음파)을 수행하는데


리튬이 굉장히 위험하기 때문에 설계와 공정진행을 굉장히 보수적인


방법으로 수행함


근데 만약에 저 부분을 삭제한다면 저 공간에 더 많은 리튬이온을


배치 할 수 있는거임


그 의미가 어떤 것이냐면 양산이 가능하다는 전제하에


용량이나 성능이 고만고만한 지금 시장에서는


게임체인저가 될 수 있다는 거임


게다가 원형은 라인구축부터 수율 잡는 속도가


각형, 파우치 보다 빠름


보통 타겟수율이 95~98% 이상이고 자국이 아닌 타국에


건설하는 공장, 증설하는 라인을 셋업하는데


원형은 2~3년이 걸림


이는 생산성이 좋고 셋업이 빠른 원형으로


머스크의 목표인 1년만에 20기가 생산을 이뤄내겠다는건데


이건 현실적으로 힘들어 보임


현재 LG가 타사들 보다 기술적으로 앞서고 있다는 이유는


무엇보다 Z-Stack 때문이라고 할 수 있음

1602587979-2.jpg


(삼성 블로그 펌)


국내에서는 LG가 먼저 완성했고


삼성도 양산라인에 설치한것임


기존의 극판은 와인딩 방식으로 진행하여


캔캡이나 파우치에 집어넣기 위해 곡면이 생겨버림


저 상태로 실링하여 사용하면 구부러진 방향으로 하중이 작용해서


지속적인 충방전 이후 극판이 곱창나는 것을 볼 수 있음


하지만 스태킹 방식은 극판을 모양에 맞게 레이저나 펀칭머신으로 잘라


쌓는 방식임


그렇기에 구부러지는 면도 없고 낭비되는 극판이 없으며


수명도 길어짐


단점으로는 외인딩 방식 보다 느리고 비싸다는 점이지만


양산라인에서 계속해서 작업자들이 수율을 높이려고 노력한 끝에


Z스택도 조온나 빨라짐 (공유압 장치들로 칙칙 거리면서 쌓는거 개빠름)


그렇게 현재 구도는


Z스택을 사용하는 각형과 파우치


그리고 고전적인 원형 배터리의 삼파전이 완성되는 것임


다시 본론으로 와서


테슬라의 4680에 대한 현직자들의 생각은 다음과 같은데


원형 배터리가 나온지 오래됐는데도 불구하고


사이즈의 차이는 있을지언정 구조는 별로 변한게 없다


분명히 그런데는 이유가 있다라고들 말함


어찌보면 당연하지


너네가 쓰는 폰이 펑펑 터지고 아기들이 갖고노는


장난감들이 펑펑 터진다고 생각해봐


얼마나 끔찍하니?


그러니 당연히 여태까지 써온 안전한 방법을 고수하겠지?


지금까지 배터리 시장은 대부분 화학 소재를 건드리면서


용량이나 안전성이 좋아짐


근 20년간 삼성SDI, LG화학, CATL, 파나소닉등


소위 빅 7이라 불리는 거대 전지기업들이 이런식으로


제품 개발을 진행했는데


테슬라가 만약에 구현한다면 공법과 구조 설계의 혁신을 이뤄낸거임


화학소재로 앞서간거면 어차피 금방 따라가게 되어있음


스택 이후로 다시 제조공법은 발전이 없고


애초에 계속해서 기존의 소재를 조금씩 바꿔가며 연구를 했으니까


(가령 Si을 첨가하거나 Ni 비율을 더 늘리거나)

 

 

1602587979-3.jpg


배터리데이의 핵심은 테슬라가 안전장치 대가리를


싹 날렸다는 것이랑


음극부에 탭을 없앤 탭리스라는 공법을 완성시키겠다는 거임

 

1602587979-4.jpg

파우치나 각형은


음극인 구리, 양극인 알루미늄 전극 단자(리드탭)를 밖으로 빼놓음


아까 내가 스택이라는 공법이 있다고 했지?


그 공법에서 양음극 극판이랑 분리막을 하나씩 쌓으면


그게 원통 하나의 용량이 되는거임


그리고 그 극판 한 묶음마다 리드탭을 밖으로 뺌


+-극을 뺀다고 생각하면 됨


저 터미널들을 리드탭으로 묶기 위해 용접을 실행하는데


시간도 걸리고 당연히 돈도 들어감


하지만 뭣보다 저 리드탭들로 전류가 흐르며 열을 방출하기 때문에


탭의 존재의의와 구조가 중요한건데


이 새끼들은 이것도 싹 날려버림


그리고 어떤 방식을 썼냐면

 

1602587978-3.jpg

저 단면 전체에 도전재를 코팅함


도전재는 전류를 잘흐르도록 도와주는거라고 생각하면 됨


지금 국내 3사 연구소도 도전재에 돈을 존나 퍼붓고 있음

 

1602587979-5.jpg


(삼성 블로그 펌)


예시로 저 양극 극판을 코팅하고 프레스, 건조 한 후에


빨간부분처럼 쓸만큼 자르는 슬리팅이라는 공정까지 진행하는게


일반적인 생산법임


그리고 도전재는 극판에 바르는 저 검은거 (슬러리)를


제조할때 함께 넣음


테슬라는 여기서


코팅->도전재 코팅->프레스->R2R건조->슬리팅


이렇게 공정 하나를 추가함


그래서 결론은


저 밑바닥 전체를 탭 마냥 쓰겠다는 것임


생산성이 좋고 셋업이 빠른 원형으로


늘어나는 공정과 생산 난이도를 감쇠하는 그런 느낌임


이외에 원리와 구조상 용접이 어려운 부분이 있다만


귀찮아서 생략함

 

 

1602587980.jpg

이런식으로 수십년을 쓰던 설계와 공법이 공법이 바뀌는것이라면


현실적으로 말해서 갑자기 기술격차가 2년은 벌어진다는 의미임


탑7에서 기술격차가 거의 없는게 현 배터리 시장의 상황인데


여기서 2~3년 차이가 벌어진다고 보면 됨

 

 

1602587980-1.jpg


그런데 지금 다른 자동차 oem에선 원형을 쓰는곳이 거의 없음


대부분 선행이나 a샘플 수준임


왜냐하면 유럽은 각형, 미국은 파우치로 밀겠다고


결정하고 회사까지 다 골라서 납품 받고 있으니까ㅋㅋ


한마디로 다른 oem을 하고 싶어도 따라할수가 없는 구조라는거임


그렇게 되면 다른 차들은 1회 충전에 500km 외칠때


테슬라만 650km를 구현할수 있는거고


다른 회사들은 이 격차를 좁히지 못하게됨


여기까지 너네의 반응은 그럼 개좋은데? 무조건 테슬라가 좋은거 아니냐?


라는 반응을 보일거고 그게 당연한거임


하지만 현직자들의 생각은 그렇지가 않음


사실 이미 내 회사도 그렇고 타사들도 안전장치를 최소화한


대형 원형전지를 개발하려 한 적이 있었고


결과는 박살났음


원형은 두꺼워질수록 외경 R값이 커지는데


여기서 공정엔지니어와 현장 생산직들이 마주한 문제가 한 둘이 아님


사행 없이 와인딩한다는 것부터가 말이 안될뿐더러 (ㅋㅋㅋㅋㅋ)


내외경 R값 차이 때문에 불균형한 수명


게다가 중앙 발열문제도 생김


더 나아가 코팅이나 전해액 주입등에서도 수많은 문제가 있음


이건 진짜 연구실이랑 개발라인에서 보면 가관이다


괜히 그러는게 아님ㅋㅋㅋㅋㅋ


모회사는 중공형식으로 타공해서 파일럿을 진행했었고


굳이 이 지랄하면서 이렇게 만들 필요가 없다는걸 느끼고 포기함ㅋㅋ


돈도 더 들고 효율도 병신 같은데 당연히 안하지


그래서 알력 있는 2차전지 회사들은 그닥 긴장까진 하지 않는거고


테슬라에게 회의적인 반응을 보이는거임


여기서 누군가 비보호 배터리 상용화 됐는데요 이럴수 있음


비보호 전지는 기껏해야 18650 사이즈임


억지로 터트릴려고 하는게 아닌 이상 터질수가 없는 사이즈에 씀


4860은 고전압, 고전류, 고방전을 요하는데


이걸 비보호로 만든다?


개박살 나는거임


애초에 흐르는 전압, 전류량과 발열이 차원이 다름


이 분야에서 너네보다 더 오래 공부하고


현업에서 직접 개발하고 연구하는 사람들인데


아가릴 털 순 없겠지?


내 생각도 이게 파일럿이니 가능한거지


양산라인의 화성공정에서 충방전하다가 불꽃놀이 일어나고


작업자들 홀라당 타버려서 뼈도 못 찾는건 일도 아니게 될 듯


흐응 그게 한국인이 발전이 없는 이유이고 한계야~


이럴수 있는데


제발 모르면 입을 닫고 있자는거임


너네보다 훨씬 배운


국내 3사 석박사들이 밤낮을 새가며


연구개발, 양산하며 수백번의 시도를 했고


수십번의 폭발사고를 봤음


적어도 어느 회사처럼 고객 목숨으로 장사하려고 하진 않는거임


마지막으로 뇌절해보자면


대안으로 인산철이 있다고 하는 게이가 있을거임


인산철 전지는 리튬이온전지보다 에너지 밀도도 낮고


철이 들어가서 더 무거움


자동차는 연비가 생명이지?


게다가 2차전지 업계는 보수적인 태도를 취할수 밖에 없으니


수명은 더 길고 안전할지라도


더 크고 무겁고 공정운용비용이 비싼 인산철 배터리는


연구개발에서 뒷전이 될 수 밖에 없음


나 역시도 업계 종사자이고 전기차를 타고 싶지만


비싸고 수명이 이론적 예상치 보다 짧으니


손이 안가는게 현실


하지만 장담할 수 있는건


빅7 업계들이 출고하는 전지, 특히 국내 2차전지 회사들의 전지는


굉장히 안전하다는것


모회사 제품인 ESS (제품 문제가 아닌 관리업체 문제)나


스마트폰 배터리 (설계결함)가 폭발하거나


모회사 제품인 자동차 전지 (모 자동차사와 갑론을박중)가


폭발하는 사고가 있었다만


대부분 전지 제작 업체의 하드웨어적 과실은 없었다는 것


(스마트폰 배터리 제외)


그리고 그 어느 해외회사들 보다 안정성에 목숨걸고 있다는 것은


내 직위랑 몸뚱이를 걸고 맹세할 수 있음


그러니 어디서 국내 3사 배터리가 터졌다고하면


95%는 구매사의 심각한 관리소홀이거나 자사가 아닌 서드파티 BMS 사용


혹은 사용자 문제 (누가봐도 무리나 손상이 가게 사용)이라고 봐도 무방함


나머지 5%는 그냥 개병신삽질한거임


실수 같지도 않은 실수 (설계에서 가장 기본적인걸 빼먹는 병신짓)


혹은 욕심 (하드웨어 보단 제작사의 전지 관리 및 운용체계의 문제, 큰 예시로 타이트한 SOC)


암튼 그렇다고~


테슬라가 잘돼서 나도 영화에서나 볼 법한 미래세계에서 살고 싶다만


이건 아닌것 같다는거지ㅋ


기어코 저 4680을 상용화 한다면 아마 자동차 만드는 꼬라지를 봤을때


외주를 주지 않을까 싶음


3줄 요약


1. 테슬라가 나름 획기적인 아이디어를 냈다


2. 근데 기술적인 이유로 위험하다


3. 그래서 현직자들도 회의적인 반응


퍼가든 말든 신경 안쓰고 출도 신경 안씀ㅎㅎ

 

 

 

 

응 ㄲㅈ~ 출처 넣을꺼야~

https://m.dcinside.com/board/laptop/605390

101개의 댓글

2020.10.23

아무리 현직자라고 하지만 테슬라 다니는애들이 대가리는 더좋을거고

대가리가 고만고만해도 테슬라 엔지니어 100명이 김치 현직자 1명보단 똑똑하지

 

그리고 현직자라고 해봤자 보통 기존 기술 깔짝대거나 그냥 주어진 연구과제 공무원식으로 할텐데

그런애들이 기술의 벽을 뚫으려는 엔지니어들 자기지식으로 까는거보며 존나 가소로움

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