차세대 배터리 전해질 특허 비교: 액체 vs 고체 vs 젤

1. 액체 전해질 특허 동향: 고성능 유기 용매와 첨가제의 진화

리튬이온 배터리의 상용화 초기부터 주로 사용되어 온 액체 전해질은 여전히 기술 발전의 중심에 있으며, 다양한 고성능 유기 용매와 첨가제를 기반으로 한 특허 출원이 지속해서 증가하고 있다. 특히 2020년 이후 액체 전해질의 안정성과 수명을 증가하기 위한 기술들이 급격히 증가하는 추세이다. 이들 특허의 핵심은 크게 세 가지로 나뉘며, 첫째는 고전압에 견딜 수 있는 전해질 구성, 둘째는 전극계면 안정화를 위한 첨가제 조성, 셋째는 저온 또는 고온에서도 이온 전도도를 유지할 수 있는 특수 용매 구조에 대한 것이다.

대표적으로 LG에너지솔루션은 2023년 ‘이온쌍을 형성하는 불소화 용매를 포함하는 전해질 조성물’ 특허를 등록했으며, 이는 고전압 양극재 사용 시의 계면 반응을 억제하고 수명을 많이 증가시킨다. 삼성SDI는 2022년 ‘리튬 명의 용해도를 향상하는 에스터계 첨가제 조성물’ 특허를 통해 저온 구동 성능 향상을 달성한 바 있다. 중국의 CATL은 다수의 질소 기반 첨가제를 기반으로 전해질 내 열 안정성과 전해질 수명을 동시에 개선하는 특허를 집중적으로 출원하고 있다.

액체 전해질은 기존 생산 공정과의 호환성이 뛰어나 제조 단가가 낮고 생산성이 높지만, 누액 위험성과 인화성 문제는 여전히 해결 과제로 남아 있다. 이에 따라 최근 특허들은 비인화성 유기 용매, 예를 들어 인산계 및 설폰계 화합물의 도입을 시도하고 있으며, 이에 관한 특허는 일본의 파나소닉과 미쓰비시 화학 등에서도 활발히 출원 중이다. 결론적으로 액체 전해질 분야는 '점진적 혁신'을 통해 기존 인프라를 유지하면서 성능과 안전성을 동시에 개선하려는 특허 전략이 주를 이루고 있다.

2. 고체 전해질 특허 경쟁: 황화물, 산화물, 폴리머계의 삼파전

고체 전해질은 차세대 배터리 기술로 주목받으며, 리튬 금속 음극과의 조합을 통해 획기적인 에너지 밀도 향상을 기대하게 한다. 이 분야는 현재 크게 세 가지 재료군—황화물계, 산화물계, 고분자계(고체 폴리머)—고 나뉘며, 진영별로 독립적인 특허 전쟁이 전개되고 있다. 특히 황화물계 전해질은 이온 전도도가 액체 전해질 수준에 근접하면서도 고체의 물성을 유지해, 최근 5년간 출원된 특허의 절반 이상을 차지하고 있다.

일본의 토요타는 ‘Li₁₀GeP₂S₁₂’를 기반으로 하는 고이온 전도성 황화물 고체 전해질에 대한 수십 건의 특허를 보유하고 있으며, 최근에는 계면 저항을 낮추는 설계 기술로 특허 확장을 시도하고 있다. 삼성전자는 2020년 이후 황화물계 전해질을 포함하는 ‘복합체 고체 전해질 층 구조’ 관련 특허를 집중적으로 출원하면서, 고체 전지의 수명과 안정성 확보에 주력하고 있다. 미국의 QuantumScape는 산화물 기반의 세라믹 고체 전해질 특허를 다수 보유하고 있으며, 리튬 금속과의 직접 접촉 구조를 구현하는 데 있어 높은 기술 장벽을 구축하고 있다.

한편 고분자 고체 전해질의 경우, 유연성 및 제조 공정 유연성이라는 장점을 내세워 일본 미쓰비시 화학 및 프랑스의 Arkema 등이 다수의 특허를 보유 중이다. 하지만 고분자계는 이온 전도도가 낮아 상용화에는 한계가 있다는 평가도 존재한다. 현재 고체 전해질 특허는 소재 조성 외에도 계면 안정화 기술, 복합화 공정, 미세 구조 제어, 고압 압박 기술 등에 이르기까지 다층적 전장을 구성하고 있으며, 이 특허들의 집적이 향후 전고체 배터리의 시장 진입 장벽이 될 것으로 예상된다.

3. 젤 전해질 특허 트렌드: 액상과 고체의 하이브리드 설루션

젤 전해질은 액체와 고체의 장점을 융합한 하이브리드 구조로, 안전성과 성능의 균형을 동시에 꾀할 수 있다는 점에서 최근 주목받고 있다. 특히 젤 전해질은 ‘반고체 상태’라는 특성 덕분에 누액 위험성이 낮고, 전극과의 계면 밀착성이 뛰어나며, 기존 리튬이온 배터리 생산 설비를 일부 수정하여 활용할 수 있다는 점에서 산업적 매력도가 높다. 이에 따라 2020년 이후 국내외에서 젤 전해질 관련 특허 출원은 급증하고 있으며, 특히 고분자 매트릭스 내 유기 전해질을 포함하는 겔리 파이도 구조가 주요 특허 포인트로 부상하고 있다.

대표적으로 중국 BYD는 2023년 ‘폴리 비닐리덴 인플루엔자 온라인도(PVDF)-기반 젤 전해질 내 열경화성 고분자 복합재’ 특허를 등록하여 고온에서도 겔 상태를 유지할 수 있는 기술을 확보했다. 한국의 SK이노베이션은 실리카 나노입자를 기반으로 한 ‘세라믹 강화 젤 전해질’ 특허를 통해 구조 안정성과 이온 전도성의 동시 개선을 시도하고 있다. 미국의 Sion Power는 리튬-황 배터리용 젤 전해질 조성물에 대해 다수의 특허를 보유하고 있으며, 이 조성은 높은 황 함량에도 불구하고 셀 수축과 리튬 폴리설파이드 확산을 억제하는 효과를 제공한다.

젤 전해질의 주요 기술 쟁점은 겔화제의 선택, 겔의 물리적 안정성, 고에너지 밀도 전극과의 계면 안정화 등으로 요약된다. 이에 따라 특허는 고분자 매트릭스의 구조 제어, 이온 전도성 개선 첨가제, 열적 안정성을 향상하는 세라믹 나노 필러 등 다양한 요소 기술에 걸쳐 있으며, 이들 간의 조합 최적화가 핵심이다. 결론적으로 젤 전해질 특허 전략은 “기존 공정과의 호환성을 최대한 유지하면서 안전성을 강화하는 방향”으로 전개되고 있다.

4. 액체-고체-젤의 전해질 특허 비교: 융합과 분화의 경계

차세대 배터리 기술의 중심축인 전해질은 단일 재료 시스템의 한계를 넘어 ‘융합’과 ‘분화’의 흐름 속에서 독창적인 특허 전략으로 진화하고 있다. 액체 전해질은 여전히 고성능 리튬이온 배터리의 핵심 소재로 기능하면서도, 첨가제 기술을 중심으로 점진적인 개선 특허가 이어지고 있다. 반면 고체 전해질은 완전히 새로운 셸 구조와 공정 방식이 요구되는 만큼, 소재·계면·공정 전반에 걸친 복합 특허 포트폴리오를 통해 독점적 기술 장벽을 구축하는 경향이 강하다. 젤 전해질은 양 진영의 기술적 공백을 메우는 역할을 하며, 실용성과 혁신성 사이에서 절충된 형태의 특허들이 두드러진다.

특허 출원 수와 범위를 살펴보면, 고체 전해질은 평균적으로 한 기술 개념당 5개 이상의 연계 특허로 포트폴리오화되는 반면, 젤 전해질은 단일 특허가 독립적으로 출원되는 비율이 높다. 이는 고체 전해질이 ‘플랫폼 기술’로 분류되어 하나의 핵심 소재 기술이 다수의 전국 조합 및 공정 방식과 연결되기 때문이며, 반면 젤 전해질은 ‘응용 기술’ 성격이 강해 특정 제품에 최적화된 조성이 강조된다.

또한, 지역별로는 미국과 일본은 고체 전해질에 대한 원천기술 특허 확보에 집중하는 반면, 중국과 한국은 젤 및 액체 전해질의 응용·개선 특허에 강점을 보인다. 이러한 전략적 분화는 각국 배터리 산업의 경쟁 우위와 맞물려 있으며, 결과적으로 글로벌 특허 경쟁은 점점 더 ‘소재-공정-응용’의 전 주기적 통합 전략으로 재편되고 있다.

마지막으로, 최근에는 액체-젤-고체 전해질 간의 하이브리드 구조나 전이 형 전해질(phase-transforming electrolyte)에 관한 특허도 등장하고 있다. 이는 고체 상태로 보관되다가 충전 시 액화되거나, 작동 중 다시 고체로 전환되는 전해질 구조를 의미하며, 특허 적으로는 '자기 조절형 전해질' 또는 '전이 물성 기반 가상 시스템'이라는 이름으로 출원되고 있다. 이러한 융합적 기술은 향후 차세대 배터리 시장의 핵심 특허 전쟁터로 부상할 가능성이 크다.