ESS용 배터리 특허 현황: 고용량·고안정성 확보 기술

1. 고용량 ESS 배터리를 위한 소재 기술 특허 동향

ESS(Energy Storage System)의 수요가 급증함에 따라, 고용량 배터리 기술은 주요 특허 경쟁 영역으로 부상했다. 특히 리튬이온 기반 ESS의 에너지 밀도를 극대화하기 위한 소재 개선이 핵심 기술로 부각되고 있다. 최근 5년간 특허 출원 데이터를 살펴보면, 고니켈(Ni) 양극재 및 실리콘-탄소 복합 음극재와 관련된 기술이 급격히 증가했다. 고니켈 양극재는 기존의 리튬 니켈코발트망간 산화물(NCM) 대비 높은 용량을 제공하며, 실리콘 기반 음극재는 흑연 대비 최대 10배 이상의 이론 용량을 제공할 수 있다.

일본의 파나소닉과 한국의 LG에너지솔루션은 니켈 함량이 90% 이상인 NCA, NCM 계열 양극재에 대한 조성 제어 및 안정화 기술에서 다수의 특허를 보유하고 있으며, 중국의 CATL은 실리콘계 음극재의 팽창 문제를 해결하는 바인더 조성 및 나노구조와 기술에 집중하고 있다. 이들은 특히 고온 충·방전 조건에서 용량 유지율을 개선하기 위한 입자 코팅 기술과 관련한 특허도 집중적으로 확보하고 있다.

또한, 고전압 전해질 첨가제나 전극 간 전자전도도 향상 기술 역시 고용량 ESS의 핵심으로, 에너지 밀도를 높이기 위한 보조 기술 특허가 늘고 있다. 전해질의 경우, 리튬 명의 농도 최적화 및 FSI− 기반 첨가제의 활용으로 전해질 안정성과 전압 창을 동시에 개선하는 기술이 특허 출원되고 있다. 이러한 소재 기반 고용량화 기술은 향후 MWh급 ESS 시스템 구축의 기반이 되는 핵심 기술로 자리 잡고 있으며, 이에 대한 특허 포트폴리오 확보 경쟁은 더욱 치열해질 전망이다.

2. 열폭주 및 화재 예방을 위한 고안 정성 기술 특허 전략

ESS 시스템의 대형화가 가속화되면서 화재 및 폭발 사고에 대한 우려가 커지고 있으며, 이에 따라 고안 정성 확보를 위한 특허 전략이 기업 R&D의 핵심 과제가 되고 있다. 특히 열폭주(thermal runaway)를 억제하거나 조기 탐지하는 기술은 기업들이 가장 중점적으로 투자하고 있는 영역이다. 관련 특허는 크게 세 가지 분야에서 집중되고 있다: ① 소재 안전성, ② 시스템 모니터링, ③ 셸 구조 설계.

먼저, 난연성 전해질 또는 고체 전해질 기반 기술은 배터리 내부 발화 가능성을 원천적으로 차단하는 기술로 주목받고 있다. 삼성SDI와 SK온은 각각 난연성 첨가제 조성물, 고체 고분자 전해질의 이온전도성과 안정성을 동시에 확보하는 기술을 다수 출원하고 있다. 특히 SK온은 2023년 이후 불소계 전해질 첨가제에 대한 연속 출원을 통해 화재 예방 및 사이클 수명 증가라는 이중 효과를 노리는 전략을 취하고 있다.

둘째, BMS(Battery Management System) 기반의 조기 진단 및 차단 기술에 대한 특허도 급증하고 있다. 미국의 테슬라는 온도, 전압, 전류 변화를 실시간으로 감지하고 이상 징후 발생 시 자동으로 시스템을 차단하는 AI 기반 BMS 알고리즘을 특허화하였으며, 국내기업들도 센서 융합 기술 및 이상 전류 패턴 분석 알고리즘에 대한 특허를 적극 출원 중이다. 이는 ESS 시스템이 화재 발생 전 스스로 차단하여 인명 피해를 줄이는 데 핵심 역할을 하게 된다.

마지막으로, 셀 파우치 및 모듈 구조 설계를 통해 폭발 위험을 줄이는 기술이 주목받고 있다. 셀 간 격벽에 난연성 방열 필름을 삽입하거나, 압력 분산형 셸 구조를 적용하여 특정 셀의 이상이 전체 모듈에 영향을 미치지 않도록 하는 특허가 증가 추세다. ESS는 한 번의 화재로 수백억 원의 손실이 발생할 수 있는 만큼, 이와 같은 고안 정성 특허 확보는 ESS 시장 경쟁력의 핵심 축이다.

3. 고용량·고안 정성을 동시에 확보하는 하이브리드 기술 특허

최근 특허 동향에서 특히 주목할 부분은 고용량과 고안 정성을 동시에 확보하기 위한 하이브리드 기술이다. 이는 기존의 단일 소재·단일 기술 중심 접근법을 넘어서 이종 기술 융합 기반 특허 전략으로 확장되고 있는 흐름이다. 대표적인 예는 반고체 전해질(Semi-solid electrolyte) 또는 겔 전해질(Gel-type electrolyte)을 적용한 ESS 배터리 기술이다.

반고체 전해질은 고체의 안정성과 액체의 전도성을 동시에 지니고 있어, 고온에서의 열적 안정성과 고용량 충·방전 특성을 동시에 달성할 수 있다. 미국 퀀텀스케이프와 일본 토요타는 이러한 기술에 대한 조성 및 제조 공정 특허를 강화하고 있으며, 한국의 현대자동차그룹도 ESS 적용을 고려한 고체·반고체 하이브리드 셸 구조 특허를 2024년 이후 연속적으로 출원하고 있다.

또 다른 예는 하이브리드 전극 구조다. 고용량 실리콘계 음극재의 부피 팽창 문제를 해결하기 위해, 실리콘 입자를 탄소 매트릭스 내에 분산하거나 나노 구조로 코팅하는 기술은 충·방전 사이클에서 구조적 안정성을 제공한다. LG에너지솔루션은 이중 코어 셸 구조와 관련된 특허를 통해 고용량·고안 정성의 균형을 추구하고 있으며, 이는 ESS의 장기 운용 신뢰성 확보에 중요한 기술로 평가된다.

이러한 하이브리드 기술 특허는 단순한 소재 개선을 넘어서 시스템 설계, 제조 공정, 운용 최적화까지 아우르는 복합 기술 전략으로 진화하고 있다. 특히 글로벌 배터리 강자들은 이 기술 분야를 선점하기 위해 M&A와 공동 R&D를 통한 특허 공유 전략도 적극적으로 추진 중이다. 결과적으로, 고용량·고안 정성을 동시에 만족시키는 기술력 확보는 ESS 배터리의 차세대 경쟁력을 결정짓는 핵심 요인이 될 것이다.

4. 글로벌 특허 경쟁과 국내 기업의 대응 전략

전 세계적으로 ESS용 배터리 특허 전쟁은 점차 치열해지고 있다. 특히 미국, 중국, 유럽은 자국 내 ESS 확대 정책과 연계하여 자국 특허 보호 정책을 강화하고 있으며, 이에 따라 특허 분쟁의 가능성도 커지고 있다. 실제로 2022년 이후 CATL과 LG에너지솔루션, 파나소닉 간에 ESS용 배터리 시스템 설계 관련 크로스 라이선스 및 분쟁 협상이 급증하고 있다.

중국 기업들은 고용량 LFP 기반 배터리의 모듈 최적화 기술을 중심으로 특허 포트폴리오를 확대하고 있으며, 미국 기업들은 열관리 및 BMS 알고리즘에 강점을 보인다. 이에 반해 국내 기업들은 소재 기술에서 우위를 점하고 있으나, 시스템 통합 기술이나 AI 기반 운영 최적화 특허에서는 다소 약세를 보이는 것이 현실이다.

이런 상황 속에서, 한국 기업들의 대응 전략으로는 다음과 같은 방향이 요구된다. 첫째, 해외 핵심 특허의 회피 설계 및 대체 기술 확보다. 글로벌 강자의 특허 장벽을 피할 수 있는 기술적 아이디어 및 세부 공정상의 우회 전략은 특허 분쟁을 방지하고 시장 진입을 가능케 한다. 둘째, 기술 융합 기반의 복합 특허 전략 수립이다. 예를 들어, 고체 전해질과 열관리 센서 기술을 통합한 특허처럼 이종 기술 간 융합을 통해 새로운 특허 영역을 창출해야 한다.

셋째, 정부와의 공조를 통한 전략 특허 확보 지원 정책이 중요하다. 일본과 미국은 ESS용 배터리 분야의 특허 우선 심사 제도, 국제 출원 지원 정책을 강화하고 있으며, 국내에서도 이를 벤치마킹한 R&D 연계 특허 등록 가속화 프로그램이 필요하다. 넷째, 특허 데이터 기반의 R&D 방향성 설정이다. 경쟁사 특허를 정량적으로 분석하고, 빈틈(niche) 영역을 발굴하여 차별화된 기술 로드맵을 수립하는 전략이 절실하다.

결론적으로, 고용량·고안 정성 ESS 배터리 기술은 단순한 소재 혁신을 넘어, 특허를 기반으로 한 전략적 기술 경영이 핵심이 되는 시대에 진입하고 있다. 특허 포트폴리오를 통한 기술 지배력 확보가 세계 시장에서의 지속 성장을 좌우할 것이며, 한국 기업들이 이 경쟁에서 앞서나가기 위해선 더욱 정교한 특허 전략 수립과 실행이 요구된다.