배터리 원료 대체 기술 특허

1. 나트륨이온 배터리 특허 경쟁: 리튬 의존도를 낮추는 핵심 전략

리튬 가격 급등과 매장지 편중 문제가 심화하면서, 나트륨이온 배터리(Sodium-ion Battery, SIB)가 리튬이온 배터리의 대체재로 급부상하고 있다. 나트륨은 해수나 지각에 풍부하게 존재해 공급망 리스크가 적고, 소재 비용 측면에서도 우수한 경쟁력을 보인다. 이에 따라 전 세계 배터리 제조사와 소재 기업들은 SIB 기술의 원천 특허 확보에 집중하고 있으며, 특히 중국의 CATL, 파라시스(hin Battery), 프랑스의 Tiamat, 한국의 LG에너지솔루션과 삼성SDI 등도 적극적인 특허 포트폴리오를 구축하고 있다.

나트륨이온 배터리는 기본 구조와 작동 원리는 리튬이온 배터리와 유사하지만, 나트륨 이온의 상대적으로 큰 이온 반경과 낮은 전기화학적 전위 때문에, 기존 소재로는 충분한 성능 확보가 어렵다. 이에 따라 나트륨 전용 양극재(프러시안 파랑계, 층상 산화물계), 음극재(경질 탄소, Ti 기반 복합소재), 전해질(유기계·수계) 등의 개발과 제조공정에 대한 특허가 핵심 쟁점이 된다. 예를 들어, CATL은 고출력용 프러시안블루 유도체 양극 소재의 결정 안정화 기술에 대해 다수의 특허를 출원하였고, hin Battery는 낮은 온도에서의 전해질 안정성 확보 기술을 특허화하며, 군수 및 북방 지역 시장을 겨냥한 전략을 펼치고 있다.

한국 기업들도 SIB 관련 소재 특허를 통해 기술 주도권 확보에 나서고 있다. LG에너지솔루션은 고에너지 밀도 구현을 위한 나트륨-망간계 층상구조 양극재와 고용량 경질 탄소계 음극재에 대한 복합적 소재 기술 특허를 미국, 유럽, 중국 등 주요 시장에 걸쳐 출원하고 있으며, 삼성SDI는 고속 충전 특화된 나트륨 음극재 기술에 집중하고 있다. 이러한 특허 경쟁은 단순한 기술 우위 확보를 넘어, 향후 리튬 공급망의 정치적 리스크를 줄이는 전략적 대응으로 해석된다. 리튬 자원이 제한적인 한국으로서는, 이러한 대체 소재 기술을 확보하고 지식재산권을 방어할 수 있는 역량이 곧 배터리 산업의 지속 가능성을 좌우하는 중요한 변수가 된다.

2. 마그네슘·칼륨 기반 이차전지 특허: 차세대 원소 활용의 새로운 가능성

리튬과 나트륨 외에도, 마그네슘(Mg) 및 칼륨(K) 기반 이차전지가 새로운 대체 기술로 연구되며, 관련 특허 활동도 활발해지고 있다. 마그네슘은 2가 이온으로서 리튬보다 높은 전하 밀도를 지녀, 이론상으로는 더 높은 에너지 밀도와 안전성을 제공할 수 있으며, 칼륨이곤 배터리는 나트륨보다 작고 빠른 이온 확산성을 활용할 수 있어 고출력 특화 분야에 적합하다. 이러한 기술은 아직 상용화 초기 단계에 불과하지만, 각국 정부의 원소 자원 전략과 연계되어 중장기 핵심 전략 기술로 자리매김하고 있다.

마그네슘이곤 배터리(Mg-ion Battery)에서는 전해질과 계면 안정화 기술이 특허 경쟁의 핵심이다. 마그네슘 이온은 전해질에서 이온화가 어렵고, 금속 마그네슘 음극이 쉽게 피막을 형성해 전도성을 떨어뜨리는 문제가 존재한다. 이를 해결하기 위한 특허 기술로는 ▲유기 화합물 기반 착화합물 전해질 ▲Mg 합금 음극의 표면 개질 기술 ▲고체 전해질 인터페이스(SEI) 제어 기술 등이 있으며, 미국 MIT, 스탠퍼드, 일본의 NIMS, 한국의 POSTECH 및 KAIST 등도 다수의 특허를 출원 중이다. 특히 마그네슘 기반 전지에서는 전해질 안정성을 확보하기 위해 특수 리간드 또는 킬레이트 착화합물을 사용하는 고급 유기화학 기반 특허가 다수 등장하고 있다.

칼륨이곤 배터리(K-ion Battery)는 음극 소재에서 기술적 진보가 가시화되고 있다. 흑연 구조에 칼륨이 옴을 안정적으로 삽입할 수 있는 비결정성 탄소 소재 및 칼륨-탄소 복합체 관련 특허가 주된 영역이며, 일본과 중국이 이 분야에서 비교적 앞서 있는 상황이다. 한국은 고출력 구동용 장비나 단주기 충·방전 특화형 저장장치(ESS)에 특화된 칼륨 기반 전지 기술 개발을 중심으로, 한국전력, LS Mn, 성균관대 등을 중심으로 원천 특허 확보에 집중하고 있다. 마그네슘과 칼륨은 아직 파일럿 단계의 기술이지만, 특허 선점이 향후 기업 간 특허사용 계약 경쟁에서 중요한 지렛대로 작용할 수 있다.

3. 바나듐 기반 흐름 전지(VRB): 대체 원소 활용의 장기 저장 설루션 특허

리튬이나 나트륨과는 다른 방식의 대체 배터리 기술로, 바나듐 흐름 전지(Vanadium Redo Flow Battery, VRFB)가 장기 저장형 에너지 시스템에서 주목받고 있다. VRFB는 고체 전극 대신 용액 상태의 산화/환원 반응 쌍을 활용해 충·방전을 수행하며, 장시간 안정적인 전력 저장이 가능하고 화재 위험이 거의 없다. 이는 태양광·풍력과 같은 간헐적 재생에너지의 저장에 적합한 기술로서, 전 세계적으로 ESS 분야의 특허 분쟁과 기술 경쟁이 격화되고 있다.

VRFB 특허의 핵심은 ▲바나듐 전해액의 농도 안정화 기술 ▲이온교환막의 선택성 ▲전극 반응성 제어 및 스택 구조 설계 등이다. 특히 이온교환막의 소재 및 설계는 전력 효율과 수명에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 도레이, 듀폰, 삼성SDI, ESS 전문 스타트업인 retd, UET 등 주요 업체들이 막 특허 및 바나듐 전해액 혼합물 관련 특허를 집중적으로 확보하고 있다. 한국에서는 ㈜에스에너지, 한국에너지기술연구원, 현대중공업 등이 고에너지 밀도 바나듐 전해액 조성 및 내화학성 강화를 위한 전극 표면 처리 기술 특허를 출원하고 있다.

또한 VRFB는 셀을 증설함으로써 용량을 자유롭게 조절할 수 있는 모듈화 장점이 있어, 관련 팩 설계 및 운영 알고리즘 특허도 증가 추세에 있다. 예를 들어, 다중 유체 흐름을 제어하는 유로 구조 설계나, 전해액 재순환을 최적화하는 인공지능 기반 제어 알고리즘 특허는 전 세계적으로 주목받고 있으며, 향후 ESS 제어 시장에서의 IP 기반 경쟁력을 좌우할 가능성이 높다. 이처럼 VRFB는 단기적인 휴대기기용 배터리에는 부적합하지만, 중장기적으로 대규모 에너지 저장의 특화 기술로 발전할 수 있는 특허 전략 거점으로 부상하고 있다.

4. 지속 가능한 한 대체 원료 기술의 특허 전략과 글로벌 파급력

배터리 원료 대체 기술은 단순한 자원 절감 차원을 넘어 공급망 다변화, ESG 규제 대응, 기술 주권 확보 등의 전략적 요소와 직결된다. 특히 미국, 유럽연합, 일본 등은 배터리 핵심 광물(리튬, 니켈, 코발트 등)에 대한 의존도를 낮추고자 원료 대체 기술 특허를 선제적으로 확보하는 데 집중하고 있다. 미국은 DOE 산하 국립연구소들을 중심으로, 나트륨·마그네슘·알루미늄 전지 기술 특허를 공격적으로 등록하고 있으며, EU는 'Battery Passport' 제도에 따라 친환경 공정과 원소 대체 기술의 상용화를 촉진하고 있다. 한국 또한 이에 발맞춰 산업통상자원부, 한국에너지기술평가원 주도로 원소 대체 연구에 대한 기술 로드맵을 추진 중이다.

특히 대체 원료 기술은 환경 유해성 저감, 재활용 효율성 향상, 가격 안정성 확보 등 다층적 효과를 제공할 수 있어, 복합 특허 전략이 요구된다. 예를 들어, 나트륨이온 배터리는 기존 리튬이온 배터리 생산라인을 활용 가능하다는 장점이 있지만, 새로운 소재를 적용할 경우 ▲양극 소재 합성 방법 ▲전해질 안정화 ▲전극-전해질 계면 기술 등 각각의 단계에서 별도의 특허 보호가 필요하다. 이는 단일 원천 특허만으로는 충분하지 않으며, 전체 가치사슬을 아우르는 다층적 특허 전략이 필수적임을 시사한다.

또한 원료 대체 기술은 소재·부품·장비(SOC) 산업에도 직결되는 특허 생태계를 형성하고 있다. 예를 들어, 나트륨 기반 배터리의 상용화를 위해선 고내식성 알루미늄 포일, 고점도 바인더, 맞춤형 집전에 기술이 함께 개발되어야 하며, 이에 대한 특허 확보 여부가 시장 선점의 분수령이 된다. 이처럼 원료 대체 기술은 단순히 리튬의 대체재를 찾는 문제가 아닌, 전체 배터리 생태계의 구조적 혁신을 동반하는 기술적·정책적 과제로 간주하며, 이에 대한 선도적 특허 전략 수립이 향후 배터리 산업의 주도권을 결정하게 될 것이다.