도요타, 전고체 배터리 양산을 선언하다!

전고체 배터리는 기존 리튬이온배터리의 기술적 한계를 극복할 수 있는 차세대 배터리입니다. 전고체 배터리는 기존 리튬이온배터리보다 높은 안정성과 에너지밀도를 제공할 수 있지만, 생산하는데 많은 비용이 필요한 것으로 알려져있습니다.

카토 타케로 도요타 전기차 부문 총괄, 출처 : 도요타

6월 14일, 일본의 자동차 기업인 도요타 자동차는 2028년에 전고체 배터리를 양산할 것이라고 발표했습니다. 이번 발표에서 카토 타케로도요타 전기차 부문 총괄은 “전고체 배터리의 내구성 과제를 극복했다며 실용화 시기로 2027∼2028년 전기차 탑재를 목표로 한다”고 말하면서, “개발된 전고체 배터리를 탑재한 차량은 10분 이하의 충전으로 1200km를 주행할 수 있다”고 덧붙였습니다.

실력있는 양치기 소년이었던 도요타

도요타가 전고체 배터리의 양산을 선언한 것은 이번이 처음이 아니었습니다. 도요타는 이전에도 2022년에 양산계획을 발표 후, 양산계획을 2025년으로 그 계획을 연기했고, 이번에 양산계획은 한번 더 연기했습니다.

이번 양산 발표에서는 이전과 달리 충전시간과 주행가능한 거리를 구체적으로 언급하여 많은 주목을 받고 있습니다.

이처럼 도요타는 양산 일정을 계속 변경하여 양치기 소년이 되었지만, 기술개발 실력은 이전부터 인정받고 있었습니다. 실력의 근거는 바로 특허였는데요.

다수의 기관에서 조사한 바에 따르면 도요타는 다른 기업에 비해 압도적으로 많은 전고체 배터리 특허를 보유하고 있는 것으로 나타났습니다.

도요타 – 전고체 관련 특허 OS Matrix, 출처 : 특허법인 비엘티

특히 도요타의 특허포트폴리오를 살펴보면 제조공정과 구조에 해당하는 특허의 갯수가 상당히 많은 것을 확인할 수 있는데요. 제조공정과 구조는 배터리 양산에 관련된 영역으로 해당 영역에 특허가 집중되어 있는 것은 도요타가 특히 양산을 위한 기술 개발에 집중하고 있다는 것으로 해석할 수 있습니다.

도요타는 양산계획을 몇번 연기했음에도 불구하고 많은 수의 특허, 그중에서도 제조공정에 집중하고 있는 특허를 보유하고 있어 전고체 배터리 기술의 실력있는 강자로 인정받고 있었습니다.

도요타와 다른 삼성SDI의 행보

도요타 이외에도 전고체 배터리 양산을 언급한 기업들이 있습니다. 우리나라의 삼성 SDI가 대표적인데요. 삼성SDI는, 도요타와 달리, 번복없이 작년에 2027년 양산계획을 발표한 이래로 계획의 변경없이 꾸준한 기술개발을 진행하고 있습니다.

그런데 삼성SDI은 도요타와 조금은 다른 개발 방향을 취하고 있는 것으로 보여집니다. 바로 개발에 이용된 전해질의 종류인데요.

도요타와 삼성SDI 특허에서 전해질에 관련된 내용을 살펴보면, 두기업 모두 황화물계 전해질을 사용하였지만, 도요타는 황화물계 전해질 중에서 LPS(Li-P-S)계열의 물질을 사용한 반면(JP 2023-080348 등 다수), 삼성SDI는 아지로다이트(Argyrodite)계열의 물질을 사용한 것을 확인 할 수 있었습니다(KR 10-2023-0081160 A).

LPS와 아지로다이트는 특정 물질을 포함하는 고체전해질로서, 장단점은 아래와 같습니다.

아지로다이트와 LPS의 장단점 비교, 자체작성

표2에서 확인할 수 있듯이 아지로다이트가 습도 감수성이 높고, 기계적 강도가 낮은 단점이 있지만 아지로다이트로 양산을 계획한 삼성SDI는 양산일정의 변경이 없는 반면, LPS를 기초로 양산을 계획한 도요타는 양산계획을 계속 변경하고 있는데요. 이것을 보아 아지로다이트계 물질이 이론과는 달리 양산가능성이 더 높은 고체전해질 물질로 판단됩니다.

물론, 양산을 위해서 아지로다이트를 사용하는 삼성SDI는 높은 습도 감수성과 낮은 기계적 강도를 해결해야할 것이고, 도요타는 양산의 비용의 이슈를 해결해야 할 것입니다.

주인공을 알고 싶다면 특허에 주목하라

특허를 통해 파악한 각 기업의 전고체배터리 구성, 자체작성

특허를 통해서 파악한 각 기업의 전고체 배터리 세부구성 및 언급한 양산시점을 살펴보면 표3과 같습니다.

삼성SDI는 무음극배터리의 원천기술을 가지고 있어 기술의 경쟁력이 있지만, 한계점 극복을 위한 기술 개발이 필요해보입니다. 최근 특허(KR 10-2023-0006324 A)에서는 고체 전해질에 산소, 브롬 및 아이오딘을 추가하여 수분안정성을 증가시키는 기술적 움직임을 엿볼 수 있습니다.

도요타의 경우 지난 14일 발표에서 “전고체 배터리 내구성 문제를 극복했다”고 언급하면서 양산을 선언한만큼 베터리 내구성에 초점을 맞추어 특허출원을 진행하고 있습니다.

도요타가 말하는 내구성은 물리적 내구성과 배터리의 충방전 능력을 포함하는 개념인데요.

도요타는 최근 “음극층의 고체 전해질층의 보호층 추가한 것”을 기술적 특징으로 하여 배터리의 충방전 효율을 극대화하는 특허 출원(JP 2023-080348 A등 다수)을 진행한바 있는데, 이러한 기술을 기반으로 배터리의 충방전 효율 이슈를 보완하여 양산까지 계획한 것으로 해석할 수 있습니다.

이처럼 각 기업의 특허를 살펴보면 어떤 기술을 이용하여 문제를 해결하려고 하는지 추측해볼 수 있는데요. 특히 아지로다이트계 물질을 이용하여 전고체배터리를 개발하는 삼성SDI가 추가로 출원할 특허가 기술적 문제를 해결했는지는 여부는 지켜봐야할 부분입니다.

이상 살펴본바와 같이 전고체 배터리 양산을 뒷받침하는 기술을 특허를 통해 확인할 수 있었습니다. 최근 양산 계획을 다시 발표한 도요타와 무음극배터리의 원천기술을 가지고 있는 삼성SDI 중 어느 기업이 전고체 배터리의 패권을 가져갈까요?

지금까지 우리나라 기업들이 이차전지의 주도권을 잡았던 것처럼 전고체 배터리의 기술도 우리나라 기업들이 주도권을 잡을 수 있을까요? 도요타의 발표가 현실이되어 도요타의 전고체배터리가 게임체인저가 될까요? 어쩌면 특허데이터 분석을 통해 그 결과를 조금 더 빨리 예측하고 대비할 수 있을지도 모릅니다.

대한민국의 배터리 산업을 응원하는 국민의 한사람으로서, 우리나라 기업에서 전고체배터리 양산소식이 하루빨리 들려오기를 기대합니다.

원문 : 전고체 배터리 양산, 누가 먼저 시작할까? – 특허를 통해 본 전고체 배터리 양산 가능성 예측
필자소개 : 특허법인 BLT 박기현 변리사