전고체 배터리의 핵심 기술 특허 5선 해설

1. 고체 전해질 혁신: 황화물계와 할라이드계 전해질 기술의 경쟁과 융합

전고체 배터리에서 고체 전해질은 전기적 연결을 담당하는 동시에 시스템의 안전성과 수명을 결정짓는 중추적 요소입니다. 리튬이온 배터리에서 사용되는 액체 전해질은 점화나 누액과 같은 위험을 수반하지만, 고체 전해질은 불연성·비휘발성 특성 덕분에 화재 위험을 근본적으로 차단할 수 있습니다. 이 기술적 차별성은 특히 전기차 산업에서 전고체 배터리에 대한 폭발적인 수요를 촉진하는 원동력이 되고 있으며, 그 중심에는 '고체 전해질의 종류'라는 기술적 분기점이 존재합니다.

황화물계 고체 전해질은 가장 활발히 연구되는 분야 중 하나로, 이온 전도도가 10^-3~10^-2 S/cm 수준으로 기존 액체 전해질과 유사한 수준에 도달하면서 실용화 가능성이 대폭 확대되었습니다. 일본의 토요타, 한국의 삼성SDI와 LG에너지솔루션 등도 황화물계 전해질 기반 전고체 배터리 양산화를 목표로 특허 포트폴리오를 구축 중입니다. 특히 삼성SDI는 황화물 전해질에 탄성 고분자를 혼합한 복합 구조 전해질로 유연성과 계면 안정성을 동시에 확보하는 특허를 출원했으며, 이는 셀 수축 문제나 충·방전 시 발생하는 계면 열화 현상을 줄이기 위한 핵심 기술로 간주합니다.

반면, 최근 급부상하고 있는 할라이드계 고체 전해질은 공기 중 안정성이 뛰어나고, 화학적 반응성도 낮아 대기 조건에서도 제조와 보관이 가능한 것이 장점입니다. 이는 생산성과 수율을 높이는 데 있어 매우 중요한 요소로, 2022~2024년 사이 관련 특허 출원이 급증하며 시장 내 주목도가 가파르게 상승했습니다. 특히 독일 프라운호퍼 연구소와 삼성전자, 중국의 CATL 등은 할라이드계 전해질의 결정구조 및 도핑 안정화를 통해 이온 전도도를 더욱 향상하는 기술들을 특허로 보호하고 있습니다.

이 두 계열의 전해질은 상호 보완적이면서도 경쟁적인 관계를 형성하고 있으며, 최근에는 황화물계와 할라이드계의 특성을 결합하는 하이브리드 전해질도 등장하고 있습니다. 예를 들어 황화물계의 높은 이온 전도성과 할라이드계의 안정성을 융합한 층상 구조 전해질 특허가 삼성과 일본 기업 간 특허 분쟁의 촉매가 되고 있습니다. 이는 단순한 소재 경쟁을 넘어 배터리 기술 표준 선점을 위한 전략적 충돌로 해석될 수 있습니다.

2. 전극-전해질 계면 안정화: 리튬 덴드라이트와 계면 저항 극복 특허의 진화

전고체 배터리의 기술 진입장벽을 가장 가파르게 만드는 요소는 바로 전극과 고체 전해질 간 '계면 안정성 확보' 문제입니다. 전통적인 액체 전해질 기반 리튬이온 배터리에서는 전극과 전해질이 자연스럽게 이온을 교환할 수 있었던 반면, 고체 전해질은 물리적 접촉을 통해서만 이온 교환이 가능하므로 미세한 계면 결함이나 표면 불균형이 전체 성능 저하로 직결됩니다.

특히 리튬 금속 음극을 사용할 경우, 충·방전 시 반복되는 리튬 도금-박리 과정에서 금속 리튬이 수지상 결정(dendrite) 형태로 자라 고체 전해질을 관통해 단락을 유발하는 문제가 심각하게 대두됩니다. 이에 대한 기술 대응으로, 전극-전해질 간의 계면 저항을 최소화하면서도 리튬 덴드라이트 형성을 억제하는 코팅, 박막 증착, 계면 복합화 기술들이 특허로 대거 출원되고 있습니다.

대표적인 기술로는 고분자계면 코팅막, 산화물층 계면 안정화, 황화물 내 결정립 조절 기술 등이 있습니다. 삼성전자와 LG에너지솔루션은 각각 플루오린화 리튬 계열 코팅층을 적용한 전극계면 보호 기술을 다수의 특허로 확보하고 있으며, 이는 수백 사이클 이상을 견디는 수명 안정성을 실현하는 데 기여하고 있습니다.

또한 계면 안정화 기술은 단순한 코팅을 넘어 ‘계면 반응 억제 전해질 조성물’ 개발로 확장되고 있습니다.

더불어, 고체 전해질의 입자 크기와 분포를 제어하여 전극과의 적층 시계면 적합성을 높이는 ‘초미세 분말 전해질 기술’도 활발히 연구되고 있으며, 관련 특허는 삼성SDI와 일본의 무라타제작소가 주도적으로 확보 중입니다. 이 기술은 계면의 기계적 응력을 완화하여 셀의 장기 수명 확보에 유리한 이점을 제공합니다.

결론적으로 전극-전해질 계면 안정화는 단순한 물질 기술이 아닌, ‘계면 반응 억제 + 물리적 일체화 + 전기화학적 안정화’라는 다중 전략이 복합된 고난도 기술로 자리 잡고 있으며, 각 기술 요소는 특허로 보호되어 기술 진입을 더욱 어렵게 만드는 ‘특허 장벽(Patent Wall)’을 형성하고 있습니다.

3. 리튬 금속 음극 기술: 고용량화와 안전성의 균형을 위한 특허 전쟁

전고체 배터리의 고용량화를 위한 열쇠 중 하나는 바로 리튬 금속을 음극으로 사용하는 기술입니다. 리튬 금속은 기존 흑연 기반 음극 대비 약 10배에 달하는 이론적 용량(3/g)을 제공하지만, 이와 동시에 매우 높은 반응성과 불안정성을 동반합니다. 특히 고체 전해질과 직접 접촉하는 전고체 배터리 시스템에서는 리튬 금속이 전해질을 침식하거나 계면에 수지상 결정체(dendrite)를 형성해 전지의 단락(short circuit)을 일으킬 수 있어 기술적 난도가 대단히 높습니다.

이러한 한계를 극복하기 위한 특허 기술 중 하나는 '인공 인터페이스 층'입니다. 이는 리튬 금속과 고체 전해질 사이에 화학적 안정성과 기계적 접합성을 제공하는 계면 중간층을 삽입하여 덴드라이트 형성을 억제하고, 전기화학적 안정성을 높이는 기술입니다. 삼성전자와 도요타는 각각 이 계면 중간층을 리튬 인산염(Li₃PO₄), 질화리튬(Li₃N), 불화 리튬(LiF) 등으로 구성하고, 층 두께 및 결정 방향성을 제어하여 전해질과의 계면 반응을 최소화하는 기술을 특허로 확보하였습니다. 특히 리튬 금속이 고체 전해질의 표면 불균일성에 의해 쉽게 접합 실패를 일으킬 수 있다는 점을 고려하면, 정밀한 박막 기술은 안전성과 제조 효율성 모두를 높이는 데 필수적인 요소입니다.

한편, 리튬 금속 음극과 관련된 특허는 전극 자체의 물리적 구조에 대한 것도 다수 존재합니다. 예를 들어 3차원 다공성 금속 기판에 리튬 금속을 합침 시켜 리튬의 부피 팽창을 흡수하고, 이온 확산 경로를 최적화하는 구조적 설계 기술이 있습니다. LG에너지솔루션과 CATL이 경쟁적으로 확보한 이 기술은 리튬이 일방적으로 특정 지점에 축적되어 덴드라이트가 자라는 것을 방지하고, 계면의 전류 밀도 분포를 균일하게 만들어 장기 충·방전 안정성을 확보할 수 있습니다.

이외에도, 리튬 금속의 산화 및 부식 문제를 해결하기 위한 진공 봉입형 패키징 기술, 리튬 재배열을 돕는 전류 펄스 제어 알고리즘, 리튬-황 기반 음극 보조 첨가제 조성물 등도 최근 특허로 빠르게 출원되고 있으며, 이는 단순 소재가 아닌 전고체 배터리 내에서의 리튬 금속 활용 최적화 기술 전체를 아우르는 복합 기술 체계로 발전하고 있음을 보여줍니다.

4. 모듈 및 셀 설계 특허: 박막형 전고체 배터리에서 구조 혁신의 중요성

전고체 배터리는 단순히 소재의 혁신에 그치지 않고, 이들 소재가 조립되는 셀과 모듈 단위의 구조 설계까지도 철저한 기술 관리가 요구됩니다. 기존 리튬이온 배터리와 달리 전고체 배터리는 고체 전해질과 전극이 모두 고체 상태이므로, 이들 간 밀착, 물리적 응력, 열 확산 등 구조적 요소가 셀 수명과 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 이에 따라 글로벌 기업들은 셀과 모듈 설계 관련 특허를 대거 확보하며 시장 진입 장벽을 형성하고 있습니다.

대표적인 기술은 '층상 적층형 박막 셸 구조'입니다. 삼성전자가 2020년에 출원한 특허에서는 양극-전해질-음극층을 수십 마이크론 단위로 정밀하게 적층하고, 전극 양단에 전류 수집 층을 대칭 배치하는 구조를 제안합니다. 이 설계는 셀 내부의 전류 분포를 균등화하고, 기계적 압력을 일정하게 유지하여 계면 탈락을 방지하는 데 중점을 두고 있습니다. 특히 박막형 전고체 배터리는 유연 디바이스, IoT, 스마트워치 등에 활용될 수 있어, 크기 대비 에너지 밀도가 중요한 애플리케이션에 최적화된 설계입니다.

또한, 일본의 무라타제작소와 미국의 QuantumScape는 다공성 구조의 세라믹 서브 스트레이트 위에 완전 고체 셀을 집적하는 '단일 기판형 전고체 배터리 모듈' 설계 특허를 보유하고 있으며, 이는 모듈 내 냉각 경로 확보, 셀 간 간섭 최소화, 전력 밀도 향상 등 다양한 성능 요소를 동시에 만족시키기 위한 전략적 설계 기술입니다. 특히 이 구조는 고전압 시스템에서도 안정적으로 작동할 수 있어, 향후 전기차 탑재를 위한 모듈화 기준에 영향을 미칠 것으로 보입니다.

더불어, 고체 전해질의 취성을 보완하기 위한 '압력 가압형 모듈 구조 특허'도 주목받고 있습니다. LG에너지솔루션은 셀 내부에 일정한 압력을 가하는 탄성 지지대를 포함한 모듈 설계를 특허화하였으며, 이는 고체 전해질의 열화와 균열 발생을 장기적으로 억제해 전고체 배터리의 신뢰성을 크게 향상시키는 효과를 가져옵니다. 이와 같은 구조 특허는 배터리의 외부 충격 내성, 충·방전 시 내부 스트레스 분산 등 다양한 기계적 요소를 제어하는 데 핵심적인 역할을 합니다.