비리튬 배터리 특허: 알루미늄, 나트륨, 마그네슘 기반 기술 비교

1. 알루미늄 배터리 특허: 이온전도 메커니즘과 양극재 혁신

알루미늄 기반 배터리(Al-ion battery)는 저비용, 고안 정성, 친환경성 측면에서 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 유력 후보로 주목받고 있으며, 최근 10년간 관련 특허가 급증하고 있다. 알루미늄은 지각 내 풍부한 자원으로, 코발트나 리튬 대비 자원 확보 리스크가 적고, 화재 위험도 낮아 ESS 및 산업용 배터리에서의 응용 가능성이 높다. 그러나 기술적으로는 양극재와 전해질의 적합성 확보가 큰 과제이며, 여기에 집중된 특허 출원이 활발하다.

가장 핵심적인 기술 이슈는 Al³⁺의 고 전하량과 높은 전기음성도로 인해 전극 표면에서 불균일한 반응이 일어나기 쉽다는 점이다. 이를 해결하기 위해 그래핀 및 다공성 탄소 소재를 기반으로 한 다중 층 양극재가 개발되고 있으며, 이에 대한 특허가 중국 및 미국에서 다수 출원되고 있다. 특히 중국의 주진(Zhejiang) 대학과 난징공대는 3D 프레임워크를 이용한 전극 구조 설계에 대한 특허 군을 형성하고 있으며, 알루미늄 이온의 삽입 및 탈리를 고르게 만드는 기술이 핵심이다.

전해질 측면에서도 이온 전도성을 개선하는 이온성 액체 기반 전해질 기술이 주목받고 있다. 예를 들어, 알루미늄 트리 클로라이드(AlCl₃)와 1-에틸-3-메틸이미다졸리늄 클로라이드(EMImCl) 혼합물 기반 전해질은 알루미늄 이온의 전도성을 확보하면서도 안정성을 높인 대표적인 조성이다. 이와 관련된 특허는 미국 MIT와 스탠퍼드, 그리고 싱가포르 A*STAR 산하 연구기관이 공동으로 다수 보유하고 있다.

기술 난도가 높지만 압도적 원가 경쟁력을 가질 수 있다는 점에서, 글로벌 배터리 강자들도 특허 전쟁에 본격적으로 참여하고 있다. LG에너지솔루션은 최근 알루미늄 기반 이차전지의 전극 피복 기술과 관련된 PCT 출원을 등록하였으며, 일본의 파나소닉은 내식성 알루미늄 음극 도금 기술에 주목하고 있다. 알루미늄 배터리는 현재는 연구개발 초기 단계지만, 특허 경쟁은 이미 핵심 전장으로 확산하고 있으며, 이는 중장기적으로 산업 패러다임을 바꿀 가능성이 있다.

2. 나트륨이온 배터리 특허: 저온 성능과 가격 경쟁력 확보 기술

나트륨이온 배터리(Sodium-ion battery, SIB)는 기존 리튬이온 배터리와 유사한 작동 메커니즘을 가지면서도, 원재료의 저 비용성과 자원 확보 용이성 측면에서 주목받고 있는 차세대 이차전지 기술이다. 특히 리튬 가격의 급등 및 자원 지정학적 위험이 커지는 상황에서, 전기차 및 중대형 ESS에서 리튬의 일부분을 대체할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 이에 따라 2020년 이후 관련 특허가 급증하고 있으며, 주로 저온 성능 개선, 음극 소재 안정화, 셀 디자인 최적화에 집중된 경향을 보인다.

가장 큰 기술적 이슈는 나트륨 이온의 크기가 리튬보다 크기 때문에 삽입·탈리 시 전극 구조의 변형이 심하다는 점이다. 이를 해결하기 위해 흑연 대신 경질 탄소(hard carbon)나 층상 산화물 기반 음극재가 주로 활용되고 있으며, 이와 관련된 구조적 안정성 향상 기술이 특허의 중심에 있다. 중국의 CATL은 2021년 이후 나트륨 삽입에 최적화된 층간 거리 조정 기술을 다수 출원하였으며, 이는 전극 내 격자 구조의 안정성을 확보하고 장수명을 보장하는 데 기여한다.

양극재 측면에서는 프러시안 파랑계 화합물이 주요 소재로 주목받는다. 프러시안블루는 결정 구조상 나트륨 이온의 고속 확산이 가능하며, 합성도 간편하다는 장점이 있다. 일본의 스미토모화학과 프랑스의 티오넬(Tiamat)은 프러시안블루 구조체의 입자 크기 제어 및 코팅 공정을 통해 순환 수명을 개선하는 특허를 확보하고 있다. 이 외에도 고농도 전해질 및 저온에서의 이온 이동성 확보를 위한 첨가제 조성 기술이 다수 출원되고 있으며, 한국의 포스코퓨처엠은 최근 유무기 복합 전해질 기반 특허로 저온 안정성을 확보하고 있다.

나트륨이온 배터리는 에너지 밀도 측면에서는 리튬이온 대비 다소 낮지만, 원재료의 공급망 안정성과 생산 원가 절감 효과가 극대화될 수 있어, 가격 경쟁력이 매우 높다. 특히 중저가형 전기차 및 ESS 시장이 적합하며, 이미 중국에서는 2024년부터 나트륨이온 배터리를 탑재한 전기차의 상용화가 시작되었다. 국내에서도 특허 선점을 통해 후발주자로서의 기술 경쟁력을 확보해야 할 시점이다.

3. 마그네슘 배터리 특허: 다가 이온 시스템의 고밀도 구현 기술

마그네슘 이차전지(Mg-ion battery)는 리튬이온 배터리 대비 이론적으로 2배 이상 높은 부피 에너지 밀도와 뛰어난 안전성을 가질 수 있는 잠재 기술로, 최근 들어 관련 특허가 증가하고 있다. 특히 마그네슘은 2가 이온이기 때문에 동일한 수의 이온으로 더 많은 전하를 전달할 수 있고, 리튬처럼 덴드라이트 형성이 거의 없다는 점에서 고밀도 ESS 및 항공우주, 군수용 전원 시스템에 적합하다는 평가를 받고 있다.

기술적으로 가장 큰 도전 과제는 마그네슘 금속의 낮은 전기화학 반응성과 전해질과의 불활성 문제다. 기존 유기 전해질 내에서 Mg²⁺는 용해도 및 이동성이 낮고, 전극 계면에서 고체 전해질 계면(SEI) 형성이 어렵다. 이를 해결하기 위해 개발된 것이 Grignard 시약 기반의 전해질 조성 기술이며, 미국의 DOE 산하 아르곤 국립연구소는 마그네슘-클로라이드-알루미늄 복합 염 전해질에 대한 일련의 특허를 통해 상용화 가능성을 높이고 있다.

전극 재 측면에서는 바나듐 산화물(V₂O₅), MoS₂ 기반의 층상 구조체가 주요 연구 대상이며, 이들의 결합 구조 및 표면 활성화를 위한 나노코팅 기술이 다수 특허로 출원되고 있다. 삼성전자는 Mg-ion 용 다공성 전극 내 금속-유기 골격(MOF) 삽입 기술을 2023년 특허로 등록하였으며, 이는 마그네슘 이온의 삽입 경로를 제어하고 사이클 수명을 연장하는 효과가 있다.

마그네슘은 자원 확보 및 생태적 부담 측면에서도 우수하며, 전해질 안정성만 확보되면 리튬·나트륨·알루미늄 중간에 위치하는 실용성과 고밀도 에너지 구현이라는 두 가지 목표를 동시에 달성할 수 있다. 이에 따라 특허 전략은 아직 초기지만, 선도 기술 기업들은 이미 전해질-전극 복합 인터페이스 제어 기술을 중심으로 원천특허 포트폴리오를 형성하고 있으며, 한국의 한화큐셀 및 현대모비스도 이 분야 특허 출원을 시작한 상태다.

4. 비 리튬 배터리 기술별 특허 비교와 향후 전략적 시사점

알루미늄, 나트륨, 마그네슘 기반 배터리 기술은 각각의 고유한 장점과 기술적 과제를 갖고 있으며, 이에 따라 특허 전략도 차별화되어 전개되고 있다. 알루미늄 배터리는 고안 정성 및 저비용이 강점이지만 전극 인터페이스 제어 기술이 관건이며, 나트륨이온 배터리는 리튬 대체용으로 가장 상용화에 근접해 있고, 마그네슘 배터리는 고밀도, 고 전하량 이점을 극대화할 수 있는 차세대 고급형 기술로 분류된다.

특허 수량 측면에서 보면 2020년 이후 출원된 비 리튬 배터리 특허는 전 세계적으로 약 7,000건에 달하며, 이 중 중국이 약 55%, 미국이 20%, 유럽이 10%, 한국은 약 8%의 점유율을 보인다. 특히 중국은 나트륨이온 기술, 미국은 마그네슘 전해질 기술, 한국은 복합 소재 기반의 하이브리드 구조 기술에 집중된 특허 출원 양상을 보인다. 이는 각국의 자원 접근성, 산업 전략, 정부의 기술 육성 정책과 밀접한 연관이 있다.

향후 전략적으로는 세 가지 방향이 중요하다. 첫째, 기술 융합형 특허에 대한 적극적인 투자다. 예를 들어, 알루미늄-그래핀 하이브리드 구조, 나트륨-결정해질 융합 셀, 마그네슘-고체 전해질 조합과 같은 복합 기술은 특허의 범위를 넓히고 경쟁 우위를 확보할 수 있다. 둘째, PCT 국제 출원 및 미국·중국 시장 중심의 특허 등록 전략이 필요하다. 비 리튬 배터리 시장은 이제 글로벌 확산 초기 단계로, 시장 선점을 위한 특허 장벽 구축이 중요한 시점이다.

셋째, 국내 기업들은 완전 고체 및 하이브리드 전지 기술과의 연계를 통한 차별화 전략을 모색해야 한다. 예컨대, 나트륨이나 마그네슘을 완전 고체 시스템에 접목하거나, 알루미늄 기반 배터리를 BMS 기술과 통합해 안정성 극대화를 꾀하는 방식이다. 결국 특허는 비 리튬 배터리 시대의 무기이며, 선도 특허 확보 여부가 기업의 미래 경쟁력을 좌우하게 될 것이다.