일본 도요타의 전고체 전해질 특허 분석

1. 도요타의 완전 고체 전해질 전략 특허: 고체전해질 구성 및 물성 제어 기술

도요타는 전고체 배터리 기술에서 황화물계 고체전해질의 상용화를 핵심 전략으로 채택하고 있으며, 이를 뒷받침하는 수백 건의 특허 출원이 지속되고 있다. 특히 대표적인 특허 군은 Li₁₀GeP₂S₁₂계 구조를 기반으로 한 황화물 고체전해질의 이온 전도도 향상 기술에 집중되어 있다. 도요타는 고체전해질의 결정화를 통해 이온 통로를 최적화하는 구조 설계 및 열처리 조건을 구체적으로 특허화하고 있으며, 이는 고체전해질의 전도도만 아니라 계면 안정성 및 내습성 향상에도 결정적인 역할을 한다.

이들 특허는 단순한 조성비 설계에 그치지 않고, 고체전해질 내 세라믹-고분자 복합화 기술을 병행하는 방식으로 전해질의 기계적 유연성을 확보하면서도 전기화학적 안정성을 확보하는 데 주력하고 있다. 또한, 유리 상태의 비정질 전해질을 결정화하여 이온 경로의 연속성을 높이는 방법론, 즉 비정질-결정 이 중상 구조 설계 역시 도요타 특허의 핵심 중 하나다. 이처럼 도요타는 고체전해질의 조성과 물성을 복합적으로 최적화하는 과정을 정교하게 분할하여 모듈화된 특허 체계를 구축함으로써 경쟁사 대비 명확한 기술 장벽을 설정하고 있다.

또한 도요타는 고체전해질의 저온 합성 기술에도 집중하고 있으며, 300도 이하의 열처리 공정을 통해 생산할 수 있는 황화물계 전해질 조성에 대한 특허가 2020년 이후 빠르게 증가하고 있다. 이는 고가의 소결 공정이나 고온 처리로 인한 에너지 손실을 최소화하면서도 대량 양산성을 높이기 위한 전략으로 해석된다. 이러한 접근은 단순한 연구개발의 차원을 넘어, 향후 대규모 생산 공정에 적용할 수 있는 프로세스 최적화 기반의 지식재산권 확보라는 점에서 도요타의 특허 전략이 기술 독점과 산업적 실현 가능성 모두를 고려하고 있음을 보여준다.

2. 계면 안정화 기술과 복합 전극 설계 특허: 도요타의 전고체 배터리 내구성 해법

전고체 배터리의 상용화에서 가장 큰 걸림돌은 전해질-전극 계면의 불안정성이며, 도요타는 이 문제 해결에 있어 업계에서 가장 선도적인 특허들을 다수 보유하고 있다. 도요타의 핵심 특허 군은 고체전해질과 양극재 사이에 **중간 완충 층(interlayer)**을 도입하는 방식으로, 계면에서의 화학적 반응을 억제하면서 접촉 저항을 최소화하는 기술이다. 특히, 산화물계 양극재와 황화물계 전해질 간의 계면 반응을 차단하기 위해 무기 박막 증착 방식(ALD) 기반의 안정화 층을 삽입하는 기술이 주된 특허로 등장한다.

도요타는 단순한 물리적 완충 층 삽입을 넘어, 전도성 고분자층 또는 리튬 이온 친화성 세라믹 나노층을 복합적으로 적용하여 계면의 전기화학적 안정성 및 기계적 접착력을 동시에 확보하는 기술을 제시하고 있다. 이 과정에서 등장하는 핵심 소재는 LiNbO₃, Li₄Ti₅O₁₂ 등으로, 이들 소재는 고체전해질과의 반응성을 억제하며, 전극의 장기 사이클 수명을 증가하는 데 중요한 역할을 한다.

또한 도요타의 일부 특허는 전극 내 고체전해질 분산 구조 최적화에 중점을 두고 있다. 즉, 전극 소재 내에 고체전해질을 미세 입자로 분산시켜, 이온 전도 경로의 연속성을 유지하고 전극 내 균일한 반응성을 확보하는 방법이다. 이는 고체전해질의 물리적 접촉만으로는 확보하기 어려운 이온 확산 경로를 보완하기 위한 고급 전략으로, 현재 삼성SDI 및 LG에너지솔루션 등도 유사 특허를 출원 중이다. 그러나 도요타는 해당 기술에서 계면 결함의 전기화학적 패시베이션(passivation) 메커니즘까지도 포함해 설명하고 있다는 점에서, 기술의 완성도와 범용성이 높은 것으로 평가된다.

이외에도 도요타는 전해질 및 전극 물성 차이에 따른 계면 응력 해소를 위한 설계까지도 특허화하고 있다. 이는 충·방전 시 발생하는 팽창-수축 변형으로 인해 발생하는 미세 균열과 박리 현상을 방지하기 위한 기술로, 전극-전해질 경계면에 나오 복합 구조를 도입하여 기계적 응력 완충 효과를 얻는 방식이다. 이는 전고체 배터리의 수명 저하 문제를 근본적으로 해결하기 위한 장기 전략으로, 향후 ESS 및 항공우주 산업에서의 확장 가능성도 높다.

3. 도요타의 고에너지 밀도 설계 특허: 고전압 양극 및 리튬 금속 음극 적용 전략

도요타의 전고체 배터리 특허 중 또 하나의 핵심 축은 고에너지 밀도를 구현하기 위한 양극 및 음극 소재 설계이다. 도요타는 특히 니켈 비중이 90%를 초과하는 NCM 양극(Ni-rich cathode)을 고체전해질과 결합하는 기술에 집중하고 있으며, 이러한 고전압 소재와의 계면 반응성 제어 및 구조적 안정성 확보에 대해 다양한 방식의 특허를 출원 중이다.

고전압 양극재는 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 동시에 고체전해질과의 반응성 증가, 구조적 팽창, 전자전도성 감소 등의 단점이 수반된다. 도요타는 이를 해결하기 위해 양극 입자 표면을 양자점 크기의 세라믹 박막으로 코팅하거나, 고체전해질과의 상호작용 에너지를 조절하는 계면 도핑 기술을 특허화하였다. 특히 전해질과 양극 입자 사이에 생성되는 전자 부도체층의 두께 및 조성 제어를 통해 전극의 유효 활성 면을 극대화하는 방식은 도요타 특허 중에서도 가장 주목받는 기술 중 하나이다.

음극 측면에서는 도요타가 리튬 금속을 적용한 고밀도 음극에 대해 가장 선도적인 기술을 확보하고 있다. 특히 덴드라이트(dendrite) 형성 억제 기술은 리튬 금속 음극 적용에 있어 핵심 기술로, 도요타는 리튬 금속과 고체전해질 계면 사이에 이온 분극 억제 층을 삽입하거나, 유무가 복합 층 기반의 유연한 계면 전이 층을 구현하는 방식으로 덴드라이트 성장을 억제하는 기술을 중점적으로 특허화하고 있다.

또한 도요타는 충·방전 시 리튬 금속의 균일한 석출/용해 반응을 유도하기 위해, 리튬 수송 경로를 정렬하는 방향성 유도 기술을 채택하고 있다. 이 기술은 고체전해질 내 나노 채널을 정렬하거나, 음극 표면의 표면 에너지 차이를 이용한 리튬 이온 유도 구조를 형성하는 방식이다. 이러한 기술은 단순한 실험적 구현을 넘어 양산 공정에서 구현할 수 있는 공정 조건까지 상세히 포함되어 있어, 산업적 가치가 매우 높게 평가된다.

4. 도요타의 전고체 배터리 생산 공정 특허: 양산 최적화와 비용 절감 기술

도요타는 기술 개발만 아니라 전고체 배터리의 제조 공정 최적화 및 양산 대응성 확보에서도 독보적인 특허 전략을 펼치고 있다. 도요타가 출원한 다수의 공정 관련 특허는 기존 습식 슬러리 기반의 리튬이온 배터리 제조 방식을 탈피해, 건식 전극 제조 공정 및 저온 소결 기반의 층상 적층 기술로 전환하고 있음을 보여준다. 이는 고체전해질과 전극의 혼합 및 적층 과정에서 발생할 수 있는 열 손상 및 계면 불균일 문제를 최소화하기 위한 전략이다.

특히 도요타는 롤 투 롤(R 2R) 기반 적층형 생산 공정에 대해 집중적인 특허를 확보하고 있다. 이 공정은 고체전해질, 양극, 음극을 연속적으로 적층한 후, 진공 환경에서 소결 및 프레스 성형을 수행함으로써, 고효율적이며 고속 대량 생산이 가능하다. 도요타는 해당 공정의 소결 온도 및 시간 제어, 전극 층 간 응력 분산 기법, 적층 불균일 해소 기술 등 세부 기술들을 모듈화하여 특허로 보호하고 있다.

또한 완전 고체 셀 내 이온 및 전자 경로 시뮬레이션 기반의 설계 최적화 기술도 주목할 만하다. 도요타는 전고체 배터리의 내부 저항을 최소화하고, 고전류 환경에서도 수명이 저하되지 않도록 전극 및 전해질의 공간적 배치를 최적화하는 공정 설계 알고리즘을 특허화하였다. 이는 단순한 소재 기술을 넘어 시스템 레벨의 배터리 설계 최적화 기술을 포함하고 있다는 점에서, 도요타의 특허 전략이 기술의 전 주기를 포괄하고 있음을 보여준다.

생산성 측면에서는 불량률 감소 및 셀 균일성 향상을 위한 인라인 진단 기술도 포함되어 있다. 도요타는 레이저 간섭계 및 적외선 센서를 활용한 고체층 두께 및 밀도 실시간 측정 시스템을 개발하여, 공정 중 계면 결함이나 층간 기공 형성을 조기에 감지할 수 있는 기술을 특허화하였다. 이는 향후 전고체 배터리의 대량 양산에 있어 수율 확보와 원가 절감의 핵심이 될 것으로 보이며, 도요타가 단순 기술 선점이 아닌 전체 생태계 기반의 수직적 특허 장악력을 갖추고 있음을 시사한다.