리튬니켈망간산화물(LNMO) 스피넬 양극재는 약 4.7 V라는 높은 작동 전압과 코발트 없는 조성으로 오래 주목받아 왔다. 그런데 상용화를 막아 온 것은 양극재 자체보다, 그 전압을 버티지 못하는 전해액이었다. 이 글은 그 병목의 구조와, 양극재 쪽에서 병목을 다루려는 특허 한 건을 함께 읽는다.
① 무엇이 화제인가
5V급 양극의 경쟁은 ‘더 높은 전압을 내는 재료’가 아니라 ‘그 전압에서 전해액이 덜 타게 만드는 방법’의 경쟁이다. 그래서 LNMO 특허는 양극재 조성에 전해액 보호 기능을 심는 형태로 청구되는 경우가 있다.
업계 상황부터 보자. LNMO(LiNi0.5Mn1.5O4, 고전압 스피넬)는 망간산리튬(LiMn2O4) 스피넬의 망간 일부를 니켈로 바꾼 양극재로, 약 4.7 V의 높은 작동 전압과 약 610 Wh/kg의 에너지 밀도가 장점으로 꼽힌다[1]. 코발트를 쓰지 않는다는 점도 공급망 관점에서 매력적이다.
긴장 요인은 전압 그 자체다. LNMO에서 니켈의 산화·환원 전위는 산업용 전해액 체계가 안정을 유지하는 수준(약 4.3 V)을 넘어선다[1]. 고전압에서 전해액이 산화·분해되면 부식성이 강한 불산(HF)이 생기고, 이것이 양극을 공격해 니켈·망간 같은 전이금속 이온을 녹여 낸다[1]. 양극은 버티는데 양극을 둘러싼 액체가 먼저 무너지는 구조다.
그래서 이 글이 답하려는 질문은 이것이다. LNMO의 전해액 산화 한계는 어떤 방식으로 작동하며, 특허는 이 한계를 양극재 쪽 권리로 어떻게 끌어왔는가.
② 기본 원리 — 끓는점보다 뜨거운 난로 위의 냄비
전해액에는 스스로 산화되지 않고 버틸 수 있는 전압 상한이 있다. 이를 물의 끓는점에 비유하면 이해가 쉽다. 산업용 전해액 체계의 ‘끓는점’이 약 4.3 V라면[1], 약 4.7 V에서 작동하는 LNMO는 끓는점보다 뜨거운 난로와 같다. 난로(양극)는 멀쩡해도 그 위에 올린 냄비(전해액)는 계속 졸아든다.
자료: Wei 외(2025) Scientific Reports, Jung·Oh·Han(2025) Energy Materials, EP3504160B1 명세서를 바탕으로 편집부가 재구성.
졸아드는 과정에서 부산물이 생긴다. 전해액이 양극 표면에서 산화 분해되면 불산이 만들어지고, 불산은 양극 표면을 부식시켜 니켈과 망간 이온을 녹여 낸다[1]. 금속 이온이 빠져나간 양극에는 용량 손실이 남는다. 이 과정이 반복되면 사이클이 거듭될수록 용량이 빠진다.
핵심은 이 반응들이 모두 양극과 전해액이 맞닿는 표면에서 일어난다는 점이다. 토프소(Topsoe)의 특허 명세서도 전해액의 산화 분해와 양극재에서의 금속 용출이 양극재 표면에서 일어난다고 설명한다[3]. 그래서 대응 방향은 크게 두 갈래로 나뉜다. 냄비의 끓는점을 올리는 방법(전해액 첨가제·용매 개선)과, 난로 표면이 냄비와 덜 반응하도록 바꾸는 방법(양극 표면·조성 개질)이다. 이 글이 다루는 특허는 후자에 속한다.
③ 비교 — 전위 사다리 위에서 LNMO가 서 있는 자리
| 기준점 | 전위(Li 기준) | 상용 전해액 안정 한계(약 4.3 V) 대비 |
|---|---|---|
| LFP 평균 전극 전위 | 약 3.4 V [2] | 한계 아래 |
| LMFP의 Mn2+/Mn3+ 평탄부 | 약 4.1 V [2] | 한계 아래(근접) |
| 산업용 전해액 체계의 안정 유지 수준 | 약 4.3 V [1] | 기준선 |
| EP3504160B1 청구항이 전제한 운전 조건 | 4.4 V 초과에서 전부 또는 주로 운전 [3] | 한계 위 |
| LNMO 작동 전압(에너지 밀도 약 610 Wh/kg) | 약 4.7 V [1] | 한계 위(약 0.4 V 초과) |
자료: Wei 외(2025) Scientific Reports[1], Jung·Oh·Han(2025) Energy Materials[2], Google Patents EP3504160B1[3]을 바탕으로 편집부가 재구성.
이 표가 말하는 것: LFP와 LMFP는 상용 전해액의 안정 한계(약 4.3 V) 아래에서 작동하지만, LNMO는 그보다 약 0.4 V 높은 약 4.7 V에서 작동한다[1][2]. LNMO의 과제는 재료 안이 아니라 이 0.4 V의 틈에 있다.
④ 특허 관점 — ‘4.4 V 이상 운전’이라는 사용 조건을 조성 청구항에 묶다
양극재 조성으로 전해액 쪽 열화를 다루려는 사례로 EP3504160B1(발명의 명칭: Cathode active material for high voltage secondary battery)을 본다. 원출원인은 할도르 토프소(Haldor Topsoe A/S)이며, Google Patents상 현 권리자는 토프소 배터리 머티리얼즈(Topsoe Battery Materials AS)다. 우선일 2016-08-25, 출원일 2017-08-21, 등록일 2023-06-07, 법적 상태 Active, 예상 만료일 2037-08-21, 등록 청구항은 12개다[3].
흥미로운 점은 출원 단계와 등록 단계의 청구항 폭 차이다. 국제출원 공개본(WO2018036954A1)의 청구항 1은 4.4 V 초과에서 운전되는 고전압 전지용 양극활물질이 용량 감퇴 저감 화합물로 황산염을 포함하는 산화물이면 족하다는, 조성식 없는 넓은 형태였다[4]. 반면 유럽 등록 청구항 1은 여기에 구체적인 스피넬 조성식을 덧붙여 범위를 좁혔다[3]. 등록 청구항 1을 구성요소 단위로 재서술하면 다음과 같다.
| 청구항 1의 구성요소(재서술) | 권리 범위상의 의미 |
|---|---|
| (a) 양극이 Li/Li+ 기준 4.4 V 초과에서 전부 또는 주로 운전되도록 구성된 고전압 이차전지용 양극활물질 | 용도·운전 조건 한정 — 물건 청구항에서 ‘~용’ 표현이 어디까지 한정력을 갖는지가 해석 쟁점 |
| (b) 양극활물질은 용량 감퇴 저감 화합물로서 황산염(sulfate)을 포함하는 산화물 | 황산염 함유 한정 — 발명의 기술적 핵심이자 침해 판단의 기준선 |
| (c) 조성식 LixMyMn2-yO4-v(SO4)z, M은 Ni | 니켈 치환 망간 스피넬(LNMO 계열)로 범위 특정 |
| (d) 0.9≤x≤1.1, 0.4≤y≤0.5 | 니켈 함량 0.4~0.5 — 통상의 LiNi0.5Mn1.5O4 부근을 포섭 |
| (e) 0<z≤0.1, 0≤v≤z | 황산염 하한이 ‘0 초과’ — 소량 함유도 문언상 포함될 수 있음 |
자료: Google Patents EP3504160B1 청구항 구성[3]을 바탕으로 편집부가 재구성(원 청구항 문언·도면을 그대로 전재하지 않음).
권리 범위를 읽을 때 눈여겨볼 지점은 (e)다. 황산염 함량의 하한이 ‘0 초과’로 열려 있어, 의도적으로 넣지 않았더라도 분석상 황산염이 검출되는 LNMO라면 문언상 범위에 들어갈 가능성을 배제하기 어렵다. 이 점은 원료로 쓰는 전구체의 제조 경로와 불순물 관리가 FTO(침해 여부) 판단에 직접 연결될 수 있다는 뜻이기도 하다.
회피 설계 시나리오(반론 포함). ⓐ 니켈 함량 y를 0.4 미만으로 두는 조성은 (d)를 벗어날 가능성이 있다. 다만 LNMO의 고전압 반응을 니켈의 산화·환원이 담당하는 만큼[1], 니켈을 줄이면 전압·용량 이득 일부를 내줄 가능성이 있다. ⓑ 황산염이 검출되지 않도록 원료·세정 공정을 관리해 (e)의 z=0 상태를 입증하는 방향도 있다. 반론으로, 검출 한계 부근의 미량을 두고 ‘0 초과’ 여부를 다투게 되면 분석 방법 선택이 결론을 좌우할 수 있다. ⓒ 표면 보호를 황산염이 아닌 다른 음이온 화합물이나 코팅층으로 구현하는 방법, 또는 전해액 첨가제로 문제를 푸는 방법은 청구항 구성과 직접 겹치지 않을 가능성이 있지만, 이 경우에도 해당 분야의 다른 권리를 별도로 확인해야 한다.
유사 특허 크로스체크. 같은 패밀리의 일본 JP7102394B2는 등록(Active) 상태로, 미국 US20190173084A1과 한국 KR20190042572A·KR20230122178A, 중국 CN109476504A는 Google Patents상 심사 중(Pending)으로 표기돼 있다[4]. 관할마다 권리 범위의 최종 폭이 달라질 가능성이 있다는 뜻이다.
⑤ 한계와 전망
낙관적으로 보면, LNMO는 코발트 없이 약 4.7 V·약 610 Wh/kg을 낼 수 있는 재료로서[1], 양극 표면 개질과 전해액 첨가제 연구가 함께 성숙하면 코발트 의존을 줄이는 선택지로 자리 잡을 가능성이 있다.
반대 시나리오도 있다. 전해액 한계와 작동 전압 사이의 틈은 양극재 개선만으로 닫히지 않는다. 양극 표면의 부반응을 줄여도 전해액 자체의 산화 안정성이 올라가지 않으면, 고온·장기 사이클에서 불산 생성과 금속 용출이 누적될 수 있다. 이 경우 LNMO는 특정 틈새 용도에 머물 수 있다.
전략적 대안은 양극재와 전해액을 하나의 IP 패키지로 설계·검토하는 것이다. 양극재 조성 특허만 확보하고 전해액 쪽을 공급사에 맡기면, 성능 문제와 권리 문제가 서로 다른 계약서에 흩어진다. 이 글이 제시하고 싶은 관점은 이렇다. 5V급 양극의 권리 경쟁은 ‘재료 청구항’과 ‘사용 조건(운전 전압)’이 결합되는 방향으로 움직이고 있을 가능성이 크며, 이는 같은 재료라도 어떤 전압 창에서 쓰느냐에 따라 침해 소지가 달라질 수 있음을 뜻한다.
확인할 액션(기획·IP 담당자): 검토 중인 LNMO 양극재의 황산염(SO4) 함량 분석값과 전구체 제조 경로를 공급사에 요청하고, 셀 설계상 양극이 4.4 V 초과에서 ‘전부 또는 주로’ 운전되는지 운전 프로파일과 함께 정리해 둘 것.
확인이 필요한 항목
- EP3504160B1 명세서의 황산염 최적 함량 범위와 작용 기전(표면 농축 여부 등)은 이 글에서 원문 단위로 재검증하지 않아 본문에 싣지 않았다.
- 미국·한국·중국 대응 출원의 최종 청구항 폭과 등록 여부는 Google Patents 표기(Pending)만 확인했으며, 각국 특허청 원장 기준 확인은 하지 않았다.
- 상용 LNMO 전구체의 황산염 잔류 수준은 공개 자료로 확인하지 못했다.
출처
- Aijia Wei 외, 「Enhancing the electrochemical performance of high-voltage LiNi0.5Mn1.5O4 batteries with a multifunctional inorganic MgHPO4 electrolyte additive」, Scientific Reports, 2025, DOI 10.1038/s41598-025-90702-z. 링크
- Heechul Jung, Chungsun Oh, Dongwook Han, 「Lithium manganese iron phosphate (LiMn1-yFeyPO4) rechargeable batteries: bridging material innovation with practical cell design」, Energy Materials, 2025, DOI 10.20517/energymater.2025.29. 링크
- Google Patents, EP3504160B1 「Cathode active material for high voltage secondary battery」 서지사항 및 청구항 1(2026-09-23 원문 확인). 링크
- Google Patents, WO2018036954A1 청구항 1 및 패밀리 정보(2026-09-23 확인). 링크
이 글은 기술·특허 동향 해설이며 법률 자문이 아닙니다. 구체적인 FTO 판단은 전문가 검토가 필요합니다.
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