Battery Day 프리뷰 ③: 로드러너 프로젝트(Roadrunner Project)

Roadrunner Project

 

테슬라는 9월 22일 예정된 Battery Day에서 로드러너 프로젝트(Roadrunner Project)를 공개할 것으로 예상된다.

로드러너 프로젝트(Roadrunner Project)는 쉽게 말해 리튬이온배터리(LIB)의 원가를 낮춰 전기차 가격을 하락시키는 프로젝트다. 전기차 시장의 성장을 제한하는 요인 중 하나로 높은 배터리 가격이 언급되고 있기 때문이다.

리튬이온배터리(LIB)는 전기차(EV) 원가의 50%를 차지한다. 리튬이온배터리(LIB) 원가의 60%는 변동비 성격의 소재가 차지하고 있어 원가절감이 쉽지 않지만, 반대로 소재기술의 발전이 원가절감에 기여하는 바가 높다는 특징이 있다.

지난 수년간 배터리 업계는 양극재(Cathode)와 음극재(Anode)의 공정기술 개발을 통해 밀도를 높여 단위당 비용을 절감시키는 방향으로 원가구조를 개선시켜왔다.  

리튬이온배터리 원가 구조 (Source: Qnovo)

2019년 기준 배터리 가격은 kWh당 156달러 수준으로 지난 10년간 연평균 20%씩 하락해 왔다. 소재 기술의 개발을 통한 원가절감 외에도 전기차(EV) 판매량이 늘어나며 규모의 경제 효과도 함께 누릴 수 있었기 때문이다.

이론적으로 배터리 가격이 kWh당 100달러 수준까지 낮아지면 보급형 내연기관차(ICE)와 전기차(EV)간 가격이 같아질 수 있다고 보는데, 현재 추세로 볼 때 2024년~2025년 정도에 Price Parity가 달성될 수 있을 것으로 컨센서스가 형성되어 있다.

연도별 kWh당 리튬이온 배터리 가격 (Source: BENF)

로드러너 프로젝트(Roadrunner Project)의 목표는 Price Parity 도달 시점을 앞당기는 것이다. 

테슬라는 2016년 캐나다 Dalhousie 대학과 배터리 개발 관련 기술 제휴, 2019년 배터리 셀 제조 기술을 보유한 Hiber Systems, 건식 전극 제조 공정을 소유한 Maxwell Technologies를 인수했다. 배터리 소재기술 개발을 통해 Price Parity 시점을 앞당기겠다는 의도를 엿볼 수 있는 부분이다. 

배터리 데이에서도 건식 전극 코팅(Dry Electrode Coating) 기술을 적용한 활물질 제조공정과 단결정 양극재에 대한 내용이 공개될 것으로 보인다. 

그렇다면 이 두가지 기술이 가지는 장점이 무엇이길래 Price Parity 도달 시점을 앞당길 수 있다는걸까?

 

① 건식 전극 코팅(Dry Electrode Coating) 기술

 

전통적인 리튬이온배터리 제조공정 (Source: Maxwell Technologies)

기존의 배터리 제조 공정은 원재료 투입 > 전극 공정 > 조립공정 > 활성화 공정으로 이루어진다. 이 중 전극 공정(Electrode Coating)을 자세히 나눠보면 활물질과 바인더, 도전재 등을 용매(Solvent)와 혼합해 일정 점도를 가진 상태에서 전극판에 올린 후 용매(Solvent)를 휘발시키는 습식 코팅 방식이 사용되어왔다. 

Maxwell의 건식 전극 코팅(Dry Electrode Coating) 공정 기술 (Source: Maxwell Technologies)

Maxwell이 보유한 건식 전극 코팅(Dry Electrode Coating) 방식의 가장 큰 특징은 건식 파우더를 혼합해 필름 형태로 만들어서 이를 전극판 위에 바로 올린다는 점이다.

Maxwell의 논문에 따르면, 건식 전극 코팅 방식을 사용할 경우 습식 방식 대비 에너지 밀도를 20% 정도 높일 수 있고, 배터리 수명도 2배 정도 개선될 것으로 기대된다. 또한 용매(Solvent)를 사용하는 공정이 생략되기 때문에 10%~20% 정도의 비용도 절감될 것으로 보인다.

 

② 단결정 양극재(Single crystalline Cathode)

단결정 vs 다결정 양극재 (Source: Prospect and reality of Ni-rech cathode for commercialization, 2017.11)

테슬라는 올해 초 'NCA 전극 합성방법' 이라는 배터리 관련 특허를 출원했다. 이 특허의 방법을 사용하면 불순물이 없는 단결정 NCA 개발이 가능하고, 이를 통해 배터리의 성능을 높일 수 있다. 

현재 상용화된 양극재(Cathode)는 대부분 다결정(Polycrystalline) 구조를 가지고 있다. 양극재(Cathode)는 알루미늄 극판위에 분말 형태로 코팅해 압연하는 공정을 거쳐 생산된다.

그러나 사용과정에서 배터리 충방전이 반복되면 부서짐과 변형이 일어나며 배터리 효율이 떨어지게 된다. 휴대폰을 2년 가까이 사용하면 배터리 수명이 짧아지는 이유가 바로 이 때문이다. 

반면 단결정(Single crystalline) 양극재(Cathode)의 경우 전극을 형성하는 과정에서 부서짐과 변형 문제를 극복할 수 있기 때문에, 배터리 수명이 향상되고 에너지 밀도도 높일 수 있다는 장점이 있다. 여기에 앞서 언급한 Maxwell Technology의 건식 전극 코팅 공정을 적용한다면 추가적인 원가경쟁력도 확보할 수 있겠다.  

이러한 기술이 배터리데이에서 공개되고, 이를 통해 전기차(EV)와 내연기관차(ICE) 간 Price Parity 도달 시점이 앞당겨진다면 전기차(EV) 시장 침투 속도는 더욱 빨라질 수 있다.

이번 배터리 데이에서 테슬라가 그리는 그림이 얼마나 구체화되었는지 확인해보자.