2024년 이후 배터리 기술 특허 출원 동향

1. 급증하는 전고체 배터리 특허 출원: 차세대 배터리 상용화를 향한 경쟁

2024년 이후 전고체 배터리(All-Solid-State Battery, ASSB) 분야에서의 특허 출원은 전례 없이 급증하고 있다. 이는 전고체 배터리가 기존 리튬이온 배터리 대비 안전성과 에너지 밀도 측면에서 우수한 차세대 배터리로 부각되며, 기업 간 기술 선점 경쟁이 본격화되었기 때문이다. 특히 일본, 한국, 독일을 비롯한 주요 배터리 강국은 고체전해질(Solid Electrolyte) 소재 개발에 집중하고 있으며, 산화물계, 황화물계, 고분자계 전해질 관련 특허가 다수를 차지하고 있다. 삼성SDI, 도요타, LG에너지솔루션 등은 고체전해질과 리튬금속 음극을 조합하여 높은 에너지 밀도를 실현하는 기술을 핵심으로 삼고 있으며, 특허 포트폴리오 강화에 집중하고 있다. 예를 들어, 도요타는 황화물계 고체전해질의 계면 안정성을 확보하는 기술을 기반으로 2024년 한 해에만 300건 이상의 특허를 출원하였으며, LG에너지솔루션은 고체전해질 내 이온전도도 향상을 위한 나노복합체 구조를 적용한 새로운 전해질 제조 방법을 다수 등록하였다.

또한 이와 병행하여 셸 구조 설계 및 제조 공정에 대한 혁신적인 특허들도 늘어나고 있다. 기존 리튬이온 셀과 달리, 전고체 배터리는 전극과 전해질 간 계면 저항 및 기계적 밀착성 문제가 상존하기 때문에, 이를 해결하기 위한 박막 적층 방식, 열 압축 성형 기술, 고온 프레스 기술 등이 핵심 기술로 부상하고 있다. 2024년 이후 출원된 특허 중 상당수는 고체전해질과 전극의 계면 접촉 저항을 줄이기 위한 중간층 삽입 기술, 나노구조 설계 기술, 저온 성형 기술 등으로 구성되어 있다. 특히 삼성SDI는 다공성 고체전해질을 활용하여 리튬 확산 속도를 높이면서도 기계적 강도를 유지할 수 있는 구조에 대한 특허를 2024년 하반기에 집중적으로 출원했다. 이러한 특허 흐름은 상용화 준비가 단순 실험실 단계를 넘어 실질적인 공정 기술 확보로 전환되고 있음을 보여준다.

2. 폐배터리 재활용 기술의 부상: 순환 경제 실현을 위한 특허 전략

2024년 이후 리튬이온 배터리의 재활용 기술에 관한 특허 출원이 가파르게 증가하고 있다. 이는 전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 폭발적인 보급으로 인해 사용 후 배터리의 양이 급격히 증가함에 따라, 이차 자원 회수와 환경규제 대응이 동시에 요구되기 때문이다. 주요 출원 기술은 크게 두 가지로 구분된다. 첫째는 습식공정(Hydrometallurgy) 기반의 금속 추출 기술이며, 둘째는 건식공정(Pyrometallurgy) 및 기계적 전처리 기술이다. 습식공정 관련 특허는 주로 니켈, 코발트, 망간 등 유가금속을 고효율로 추출하는 산 침출 조성물, 선택적 용출 조건, 그리고 부산물 정제 방법에 초점이 맞춰져 있다. 중국 기업 CATL과 GEM은 니켈 회수 효율을 95% 이상으로 높일 수 있는 유기산 기반 침출 기술을 중심으로 연이어 특허를 등록하고 있으며, 이들 기술은 블랙매스(black mass)의 전처리 조건과 깊은 연관을 가진다.

반면 건식공정은 고온 열처리를 통해 직접 금속 산화물을 회수하는 방식으로, 에너지 소모는 크지만 단순성과 용이한 확장이 장점이다. 한국의 성일하이텍과 포스코는 이 방식에 대한 특허를 다수 확보하고 있으며, 특히 건식공정 후 생성된 슬래그 내 금속 성분의 선택적 정련 기술이 중요한 경쟁 포인트로 떠오르고 있다. 최근 출원된 특허는 재활용된 금속을 다시 양극재로 재조합할 수 있는 '직접 재활용(direct recycling)' 기술도 포함하고 있는데, 이는 리튬 회수 효율 향상과 배터리 등급 리사이클링을 동시에 달성할 수 있는 미래 지향적 방법으로 주목받고 있다. 미국, EU 등은 환경규제 기준을 강화하면서 재활용 기술 확보가 글로벌 배터리 공급망 안정성 확보와 직결된다고 보고 있으며, 이에 따라 2024년 이후의 특허 흐름은 단순한 금속 추출을 넘어 공정 효율화, 비용 절감, 탄소배출 저감 기술을 중심으로 고도화되고 있다.

3. 배터리 안전성과 관련된 특허 강화: 열폭주 억제 기술의 첨단화

배터리의 안전성 문제는 2024년 이후에도 여전히 가장 중요한 기술적 과제로 남아 있으며, 이를 해결하기 위한 특허 출원은 양적·질적으로 모두 증가하고 있다. 특히 전기차 시장의 확장과 고에너지 밀도 배터리의 등장으로 인해 열폭주(Thermal Runaway) 억제 기술은 제조사의 생존을 좌우하는 핵심 기술로 인식되고 있다. 출원된 주요 특허 기술로는 난연 전해질 첨가제, 셀 내부 열 차단층 삽입 기술, 셀 외피 구조의 강화, 배터리 팩 내 분리막 작동 기술 등이 있다. LG에너지솔루션은 발화 온도를 200도 이상으로 상향 조절할 수 있는 고분자 기반의 난연 첨가제 복합체를 개발하여 다수의 특허를 2024년 하반기에 집중적으로 출원하였으며, SK온은 화재 전조현상을 감지하고 전류를 자동 차단하는 열 감지 소자 내장 기술을 특허로 등록하였다.

이 외에도 셀 파열을 억제하기 위한 내부 압력 분산 구조, 모듈 내 다중 차단 기술, 스마트 화재 대응 시스템에 대한 특허도 증가 추세이다. 삼성SDI는 최근 팩 단위에서 발생하는 국소 발열을 감지하여 냉각재를 국부 주입하는 특허를 등록하였으며, CATL은 2024년 중반 이후 셀 내부에 내장된 마이크로캡슐형 난연 물질이 일정 온도 이상에서 자동 방출되는 구조를 적용한 다수의 특허를 공개했다. 또한 AI 기반 열폭주 예측 기술도 주목할 만하다. 차량 내 센서 데이터를 기반으로 열 이상 징후를 조기에 탐지하고, 데이터 기반으로 냉각 시스템을 조정하는 기술은 테슬라, GM, 현대차 그룹 등에서 연이어 특허화되고 있으며, 이를 통해 스마트 배터리 관리 시스템(BMS)이 차세대 핵심 기술로 진화하고 있다.

4. 고출력 및 급속충전 기술 특허의 진화: 음극 소재와 BMS의 혁신

전기차 충전 인프라의 고도화에 따라 배터리의 급속충전 및 고출력 구동 기술에 대한 수요가 급증하고 있으며, 이와 관련된 특허 출원도 눈에 띄게 증가하고 있다. 특히 실리콘(Si) 음극을 기반으로 한 고에너지 밀도 배터리와 관련된 기술이 출원의 중심을 이루고 있다. 실리콘은 흑연 대비 약 10배 이상의 이론 용량을 가지지만 충·방전 시 부피 팽창이 심해 구조적 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 이에 대한 대응으로, 2024년 이후에는 실리콘-탄소 복합 구조, 나노포러스 설계, 고탄성 바인더 사용 등을 포함한 다양한 신소재 음극 구조 특허가 집중적으로 출원되고 있다. 특히 중국 BYD는 실리콘 나노입자를 고분자 매트릭스에 고정화하는 기술을 통해 2024년 하반기에 200건 이상의 관련 특허를 등록하였으며, 미국의 Sila Nanotechnologies는 복합 나노코팅 기술을 적용한 고속 충전용 실리콘 음극을 개발하여 다수의 특허를 확보하였다.

이와 함께 고출력 셀의 방열 문제를 해결하기 위한 셸 구조 설계, 냉각 기술, BMS(Battery Management System)의 진화도 특허의 핵심 방향이다. 고출력 상태에서 전압 강하와 발열을 억제하기 위한 다극 판 셀 설계, 집전에 표면 처리 기술, 고효율 냉각 채널 설계 등이 포함된다. SK온과 포드의 합작 특허는 냉각재 흐름을 셀 내부까지 유도하는 유로 설계로 냉각 효율을 획기적으로 높였으며, 현대자동차는 셀의 실시간 상태를 모니터링하여 충전 전류를 동적으로 제어하는 AI 기반 BMS 알고리즘을 특허로 보호하고 있다. 특히 2024년 이후에는 BMS에 AI 연산 칩을 통합하여 배터리 상태 예측 정확도를 높이고, 운전자 습관에 기반한 맞춤형 충전 프로파일을 제공하는 기술이 다수 특허화되었다. 이러한 흐름은 단순한 충전 속도 향상을 넘어, 배터리 수명 연장, 안전성 제고, 사용자 경험 최적화라는 측면에서도 중요한 혁신으로 평가받고 있다.