무엇이 화제인가: 구속압이 곧 무게다
도요타와 파나소닉이 공동 출원한 미국 공개특허 US20230299337A1(2023년 9월 21일 공개)은 전고체 배터리의 구속압을 기존 약 20MPa에서 0.5MPa 이하, 즉 40분의 1 수준으로 낮추는 구조를 청구한다. 해법은 셀을 더 세게 누르는 대신, 양극 입자 하나하나를 황화물계 고체전해질로 미리 감싸 두는 것이다. 이 글은 이 특허가 무엇을 청구하는지, 실시예가 보여주는 것과 보여주지 않는 것, 그리고 권리 범위를 어떻게 읽어야 하는지를 정리한다.
업계 상황부터 보면, 전고체 배터리는 고체와 고체 입자 사이의 접촉이 유지돼야 이온이 흐른다. 그래서 셀을 강하게 눌러주는 ‘구속부재(restraint member)’가 사실상 필수였다. 이 특허 명세서도 종래에는 발전요소에 약 20MPa의 구속압을 가해 왔다고 적고, 구속부재의 예로 두 장의 판을 볼트와 너트로 조이는 구조를 든다.
긴장 요인은 무게다. 높은 압력을 버티려면 두꺼운 금속판과 튼튼한 체결 구조가 필요하고, 구속 구조가 무거워질수록 팩 단위 에너지밀도는 깎인다. ‘셀은 가벼운데 그것을 누르는 틀이 무겁다’는 역설이 상용화의 발목을 잡아온 셈이다. 이 글이 답할 질문은 세 가지다. 압력을 낮추면 왜 성능이 떨어지는가, 코팅 복합입자는 이를 어떻게 막는가, 그리고 기획·IP 담당자는 이 청구항의 권리 범위를 어떻게 읽어야 하는가이다.
기본 원리: 입자마다 전용 외투를 입힌다
고니켈 양극재(NCA, NCM811 등)는 충전이 진행되며 리튬이 빠져나가면 결정격자가 수축한다. 명세서는 리튬 조성 a가 0.45일 때 부피 변화율이 1.0%, 0.37일 때 1.5%, 0.30일 때 2.7%, 0.22일 때 4.5%로 커진다고 기재한다. 즉 깊이 충전할수록 입자는 더 크게 쪼그라든다. 압력이 충분할 때는 주변 고체전해질이 이 수축을 따라가지만, 압력이 약하면 양극 입자와 고체전해질 사이에 틈이 벌어져 저항이 커진다.
자료: US20230299337A1 청구항과 명세서를 바탕으로 편집부가 재구성
비유하자면 겨울에 몸이 움츠러들 때 헐렁한 담요 대신 몸에 딱 붙는 내복을 입는 것과 같다. 담요(셀 전체를 누르는 외부 압력)는 강하게 여미지 않으면 틈이 생기지만, 내복(입자 표면에 밀착된 고체전해질 피복층)은 몸이 줄어들어도 함께 따라온다. 도요타·파나소닉은 양극 활물질 입자 표면을 황화물계 고체전해질로 덮은 ‘복합입자(composite particle)’를 만들어, 셀 전체를 세게 누르지 않아도 입자와 전해질의 접촉을 유지하려 했다.
명세서가 밝힌 구현 방식은 다음과 같다.
- 복합입자 형성: 양극 활물질 입자와 황화물 고체전해질을 입자 복합화 처리하며, 예로 메카노퓨전(mechanofusion, 기계적 충격으로 입자 표면에 다른 입자를 붙이는 공정)을 든다
- 피복률 측정: 복합입자 단면 SEM 이미지 20장에서 입자 윤곽 길이(L0) 대비 피복된 길이(L1)의 비율을 구해 산술평균한 값을 피복률로 정의한다
- 구속 구조: 제1판·제2판·볼트·너트로 이루어진 구속부재가 발전요소에 압력을 가한다
비교: 코팅 유무와 구속압에 따른 저항 증가
아래 표는 원문 비교표를 명세서의 실시예 조건(Table 2)과 대조해 보완한 것이다. 실시예 전지 No.1~4는 모두 NCA(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, D50 5μm)를 쓰며, 60°C에서 5C 충방전을 150회 반복한 뒤의 저항을 초기 저항으로 나눠 저항 증가율을 구했다.
| 구분 | 양극재 | 구속압(MPa) | 고체전해질 피복 | 150사이클 후 저항 증가(원문 해석) |
|---|---|---|---|---|
| No.3(비교) | NCA | 0.5 | 없음 | 높음(접촉 불량 심화) |
| No.4(비교) | NCA | 20(기존 방식) | 없음 | 낮음(고압으로 억제) |
| No.1(발명) | NCA | 0.3 | 있음 | 낮음(코팅으로 억제) |
| No.2(발명) | NCA | 0.1 | 있음 | 소폭 증가에 그침 |
| No.5(참고) | NCM111(D50 4.5μm) | 0.5 | 없음 | SOC 상한을 올려도 소폭 증가 |
자료: US20230299337A1 명세서 Table 2 및 FIG. 5~8 관련 기재를 바탕으로 편집부 정리(저항 증가 수치는 도면으로만 제시)
이 표가 말하는 것: 명세서 기재에 따르면 SOC(충전 상태) 상한을 80%에서 90%로 올렸을 때 피복이 없으면 저항 증가율이 6.5% 늘었지만, 피복이 있으면 2.4% 증가에 그쳤다. 반면 니켈 비율이 낮은 NCM111은 피복 없이도 SOC 상한 상승에 따른 저항 증가가 작았다.
이 대비는 해석상 중요하다. 저압 문제는 모든 양극재에 똑같이 나타나는 것이 아니라, 니켈 비율이 높아 깊은 충전에서 부피 수축이 큰 소재에서 두드러진다. 명세서도 니켈 조성비가 0.5 이상(NCA)일 때 SOC 상한 상승에 따라 저항 증가가 커지는 경향을 적고 있다. 따라서 이 특허의 실익은 ‘고니켈 양극을 저압 셀에서 깊게 쓰고 싶은’ 설계에서 가장 크다.
특허 관점: 압력 수치와 복합입자의 결합
서지 사항: US20230299337A1은 우선일 2022년 3월 18일, 미국 출원일 2023년 3월 7일, 공개일 2023년 9월 21일이며 Google Patents 기준 법적 상태는 Pending(심사 중)이다. 출원인은 Toyota Motor Corp과 Panasonic Holdings Corp, 발명자는 Hiroshi Nagase, Yusuke Ito, Hiroki Yabe, Izuru Sasaki다. 같은 패밀리로 일본 JP7538167B2(2024년 8월 21일 등록, Active), 유럽 EP4246612A1(2023년 9월 20일 공개), 중국 CN116779799A가 있다.
청구항 요지(재서술): 독립항(청구항 1)은 ①발전요소와 구속부재를 포함하고 구속부재가 0.5MPa 이하의 압력을 가하며, ②발전요소는 양극층·고체전해질층·음극층으로 이루어지고, ③양극층이 양극 활물질 입자와 피복층으로 된 복합입자를 포함하며, ④피복층이 황화물 고체전해질을 포함하는 구성을 결합했다. 종속항은 양극 조성을 LiaNixMe1-xO2(Me=Co, Mn, Al) 일반식으로 규정하고(청구항 2), 니켈 비율 x를 0.5 이상으로 좁히며(청구항 3), SOC 90%에서의 리튬 조성 a를 한정한다(청구항 4). 또 피복률 50~95%(청구항 5), 양극 집전체와 양극층 사이 박리강도 0.05N/cm 이상(청구항 6)을 더해, 저압 환경의 또 다른 약점인 집전체 접촉 저항까지 겨냥했다.
자료: US20230299337A1 청구항 구성을 바탕으로 편집부가 재구성
통찰: 이 특허의 권리 범위는 ‘압력 수치’가 문을 여닫는 구조다. 복합입자 자체, 즉 양극 입자를 황화물 고체전해질로 코팅하는 기술은 전고체 분야에서 널리 연구돼 온 접근이다. 이 청구항이 새롭게 기대는 지점은 코팅 복합입자를 ‘0.5MPa 이하 구속’이라는 운전 조건과 결합한 데 있다. 따라서 침해 소지 판단은 소재 분석보다 팩·모듈 설계서의 구속압 사양에서 먼저 갈릴 가능성이 높고, 소재 공급사보다 셀·팩 설계 주체가 검토의 중심이 된다.
회피 포인트: 문언상 가장 직접적인 회피 방안은 구속압을 0.5MPa 초과로 설계하는 것이다. 또한 피복층이 황화물이 아닌 산화물·할라이드계 고체전해질이라면 ④ 요소를 결여할 여지가 있고, 니켈 비율이 0.5 미만인 양극이라면 청구항 3 이하 종속항과 거리를 둘 수 있다.
회피설계 시나리오(반론): 다만 구속압은 셀 운전 중 온도·충전 상태에 따라 변하므로, 설계값이 0.5MPa를 넘더라도 실사용 중 0.5MPa 이하 구간이 존재하면 침해 소지 논쟁이 생길 가능성이 있다. 또 할라이드 피복이라도 황을 일부 포함하는 조성이면 ‘황화물 고체전해질 포함’의 해석 대상이 될 수 있다. 반대로 특허권자 입장에서도 US 출원은 아직 심사 중이어서, 등록 과정에서 청구항이 피복률이나 니켈 비율을 편입하는 식으로 좁아질 가능성이 있다. 이미 등록된 일본 JP7538167B2의 청구항 문언과 비교해 두는 것이 필요한 이유다.
한계와 전망
도요타와 이데미츠코산은 2023년 10월 12일 전고체 배터리 양산을 위한 협력을 발표하며, 2027~28년 전고체 배터리 상용화를 목표로 제시했다. 두 회사는 황화물계 고체전해질을 택한 이유로 부드럽고 다른 소재와 잘 밀착하는 성질이 양산에 적합하다는 점을 들었다. 이 특허의 황화물 피복 복합입자 역시 같은 소재 특성 위에 서 있다.
낙관적 전망은 저압 구속이 실현되면 구속 구조의 무게가 줄어 팩 단위 에너지밀도가 올라간다는 것이다. 반대 시나리오도 있다. 실시예는 150사이클 수준의 평가이고 저항 증가 수치도 도면으로만 제시돼 있어, 차량 수명에 해당하는 장기 사이클에서 저압 조건이 유지될지는 공개 자료만으로 판단하기 어렵다. 장기 신뢰성 확보를 위해 결국 중간 수준의 구속압으로 타협한다면, 0.5MPa라는 청구항 문턱은 실제 제품과 거리가 생길 가능성도 있다.
전략적 대안은 전고체 FTO(침해 여부 검토)를 ‘소재’와 ‘기계적 운전 조건’ 두 축으로 나눠 관리하는 것이다. 소재 특허만 보면 이처럼 압력 수치가 핵심인 청구항을 놓치기 쉽고, 반대로 팩 설계 부서는 소재 특허를 잘 보지 않는다. 두 부서가 같은 청구항 목록을 공유하는 구조가 필요하다.
실무 액션: 전고체 셀·팩을 기획하는 담당자는 자사 설계의 구속압 사양(정상 운전·저온·만충 조건별 최솟값)을 표로 정리하고, 0.5MPa 이하 구간이 존재하면 US20230299337A1과 JP7538167B2 청구항에 대한 구성요소 대비표를 작성해 두는 것이 좋다.
확인이 필요한 항목
- FIG. 5~8에 도면으로만 제시된 No.1~No.5의 저항 증가율 실측값
- JP7538167B2 등록 청구항이 US 공개 청구항과 같은 범위인지(피복률 등 편입 여부)
- 청구항 4의 리튬 조성 a 한정값과 기술적 의미
- 도요타·이데미츠 양산 셀에 이 복합입자 구조가 적용되는지 여부
출처
- Google Patents, US20230299337A1 – All-solid-state battery (Toyota Motor Corp, Panasonic Holdings Corp)
- Google Patents, JP7538167B2 (동일 패밀리, 일본 등록)
- Google Patents, EP4246612A1 (동일 패밀리, 유럽 공개)
- Toyota Motor Corporation 보도자료, Idemitsu and Toyota Announce Beginning of Cooperation toward Mass Production of All-Solid-State Batteries for BEVs (2023-10-12)