테슬라의 4680: 레이저로 식각한 '탭리스' 포일이 더 큰 셀을 더 뜨겁지 않고 더 차갑게 만든 방법

2020년 9월 22일 배터리 데이에서 일론 머스크와 드루 배글리노는 4680을 공개했다. 지름 46mm, 높이 80mm의 원통형 셀로, 당시 테슬라 차량에 전력을 공급하던 파나소닉 2170 셀보다 부피가 약 6배였으며, 자체 생산될 예정이었다. 크게 만드는 요점은 패키징이다. UC 샌디에이고의 셜리 멍은 대형 포맷이 각 셀 주변의 비활성 물질을 줄여 팩 수준의 에너지 밀도가 높아지고 비용이 낮아진다고 지적했다. 테슬라는 새 설계가 킬로와트시당 비용을 56퍼센트 절감할 것이라고 주장했다.

문제는 탭이다. 모든 전기차 셀에서 얇은 구리와 알루미늄 집전 포일이 작은 용접 탭을 통해 전류를 밖으로 내보내는데, 이 탭들이 셀을 제약한다. 탭은 코팅 면적을 소모하고, 특수 초음파 용접을 필요로 하며, 모든 전류를 한 지점에 집중시키는데, 이는 셀이 커질수록 더 나빠진다. 기존의 해법들—탭을 더 많이 두거나, 용접을 더 크게 하거나, 그저 셀을 크게 만들지 않는 것—은 각각 비용을 더하거나 제약을 그대로 남긴다.

테슬라의 답은 탭을 아예 없애는 것이었다. 배글리노는 집전 포일을 레이저로 패터닝해 전극에 수십 개의 연결부를 갖도록 한다고 설명했다. 배터리 데이 티셔츠에 인쇄된 '겹친 나선(shingled spiral)'이다. 머스크는 "전자가 이동해야 하는 거리가 훨씬 짧다"고 말했다. 셀이 더 커졌음에도 출력 대 중량 비율은 더 좋아졌다는 것이다. 미시간 대학 배터리 연구소를 운영하는 그렉 레스는 그 논리를 확인했다. 탭을 없애면 코팅 면적이 더 많이 확보되어 다른 것은 바꾸지 않고도 용량이 늘어난다는 것이다.

포일을 레이저로 절단해 가장자리 전체가 탭이 되도록 했다

저항은 전류 경로 길이에 따라 커진다. 집전을 전극 가장자리 전체로 분산하면 캔이 아무리 넓어져도 그 경로가 줄어든다.

탭은 코팅 면적을 낭비하고 모든 포일에 정밀 용접을 요구한다. 탭을 없애면 조립 라인에서 느리고 고장 나기 쉬운 공정 하나가 사라진다.

셀이 커지면 팩당 셀 수가 줄어든다. 케이싱, 용접, 버스 연결이 줄어드는데, 비용과 비활성 질량이 실제로 존재하는 곳이 바로 여기다.

이 방법은 순전히 기하학이다. 화학, 코팅, 공급업체는 그대로인데 셀의 출력 대 중량 비율이 개선된다.

확장을 막는 부품을 찾아 없애라. 노트북 셀에 쓰이던 용접 탭은 46mm에서 병목이 되었다. 그것을 없애자 제조상의 제약이 출력상의 이점으로 바뀌었다.

양산 속도는 발표보다 느렸다. 테슬라는 2022년과 2023년 내내 건식 전극 병목과 싸웠다. 2023년 1분기 실적 발표 콜에서 배글리노는 테슬라가 1세대 탭리스 셀뿐 아니라 '제조하기 더 쉬운 두 번째 버전'을 텍사스 기가팩토리에서 생산하고 있다고 말했다. 생산량은 전 분기 대비 50퍼센트 늘었고, 단위 비용은 해당 분기에 25퍼센트 줄었다. 이 셀은 또한 차량 바닥을 셀로 만드는 구조적 팩을 가능하게 했으며, 이는 자본 비용 50퍼센트 절감과 GWh당 공장 규모 66퍼센트 축소의 공으로 인정받았다. 텍사스 모델 Y가 이를 처음 탑재해 출하되었고, 그다음이 사이버트럭이었다.