코발트프리 하이니켈 양극재 특허, 니켈 90% 이상의 열안정성 해법

무엇이 화제인가: 니켈 90%의 문턱에서 멈추는 청구항

하이니켈 양극재의 열안정성 특허는 대부분 ‘표면을 감싸는 코팅’이나 ‘입자 안의 조성 구배’로 문제를 다루지만, 공개된 청구항을 들여다보면 권리 범위가 니켈 90% 부근에서 끝나는 경우가 있다. 니켈 90% 이상 영역은 기술적으로도, 권리 지도상으로도 아직 비어 있는 부분이 많다는 뜻이다.

업계 상황부터 보면, 에코프로비엠은 니켈 함량 80% 이상의 NCA·NCM 양극재로 성장해 온 기업이다. 2025년 3월 제출된 2024년 사업보고서를 다룬 보도에 따르면, 니켈 80% 이상 하이니켈 제품이 양극재 매출의 99.8%를 차지했고, 회사는 코발트프리(NMX) 양극재를 2026~2027년, 하이망간(OLO) 양극재를 2027년 상용화 목표로 제시했다. 회사 R&D 소개에서도 니켈 함량 90% 이상 제품 개발과 단결정, 코팅·도핑 기술을 핵심 과제로 내세운다.

긴장 요인은 니켈 비중을 높일수록 에너지밀도는 올라가지만 구조적 불안정성과 발열 위험도 함께 커진다는 점이다. 이 글이 답할 질문은 세 가지다. 하이니켈 표면에서는 무슨 일이 일어나는가, 대표적인 코팅 특허 KR101913939B1과 에코프로비엠의 코어쉘그래디언트(CSG) 기술은 권리 범위가 어떻게 다른가, 그리고 니켈 90% 이상과 코발트프리로 넘어가는 흐름에서 IP 담당자는 무엇을 봐야 하는가이다.

기본 원리: 과즙이 많은 과일일수록 껍질이 약하다

하이니켈 양극재(NCM: 니켈·코발트·망간, NCA: 니켈·코발트·알루미늄)는 니켈 비중이 높을수록 방전 용량이 커진다. 층상 구조 양극재를 조성별로 비교한 연구(Noh 등, 2013)는 니켈 함량이 늘면 방전 용량과 잔류 리튬이 함께 늘지만, 용량 유지율과 안전성은 점차 떨어진다고 보고했다. 연구진은 구조적 안정성이 열적·전기화학적 안정성과 연결돼 있다고 결론지었다.

비유하자면 하이니켈 입자는 과즙이 많은 과일과 같다. 과즙(용량)이 많을수록 껍질(표면 구조)이 약해져, 충방전을 반복하면 표면에서 산소가 빠져나가고 니켈 이온이 리튬 자리로 섞여 들어가는 양이온 혼합(cation mixing)이 진행된다. 이렇게 약해진 표면은 전해액과 부반응을 일으키고 가스를 만들며, 심하면 열폭주로 이어질 수 있다. 대응 전략은 크게 두 가지다.

• 껍질을 덧씌우기(표면 코팅): 완성된 입자 표면에 안정한 층을 입혀 전해액과의 직접 접촉을 줄인다.
• 껍질을 처음부터 두껍게 키우기(조성 구배): 입자를 합성할 때 중심은 니켈이 많고 바깥은 안정 원소가 많도록 조성을 설계한다.

두 전략은 모두 표면을 지키는 기술이다. 차이는 그 처리가 합성 뒤의 후공정인지, 합성 단계 자체인지에 있고, 이 차이가 곧 특허 청구항의 층위 차이로 이어진다.

비교: 코팅·조성 구배·코발트프리의 권리 층위

아래 표는 하이니켈 열안정성 대응 기술을 처리 시점과 권리 층위 기준으로 정리한 것이다. 수치는 특허 실시예나 회사 발표에서 확인되는 것만 적었다.

구분	유기 설포네이트 코팅(KR101913939B1)	코어쉘그래디언트(CSG)	코발트프리(NMX)
처리 시점	합성 후 습식 코팅 + 열처리	입자 합성 단계	조성 설계 단계
대상 조성	LiNixCoyMnzO2, 0.6 ≤ x ≤ 0.9	코어 고니켈, 표면 쪽 망간·코발트 배치	코발트 제외 조성
공개된 성능 수치	1C 50사이클 후 용량 유지율 97.4%(미처리 86.5%), 방전 용량 174.0 mAh/g	본 글에서 확인하지 않음	본 글에서 확인하지 않음
권리 주체·출처	인천대학교 산학협력단	한양대 산학협력단 특허 사업화(보도 기준)	에코프로비엠 상용화 목표 2026~2027년
권리 층위	코팅 방법 청구	입자 구조·조성 청구 가능성	조성 청구 가능성

이 표가 말하는 것: KR101913939B1의 실시예는 NCM811에서 1C 50사이클 후 용량 유지율을 86.5%에서 97.4%로 높였다고 기재하지만, 청구 대상 조성은 니켈 60~90%로 한정돼 있다. 코팅, 조성 구배, 코발트프리는 처리 시점이 달라 서로 다른 층위의 권리로 봐야 한다.

특허 관점: 코팅 방법 청구항과 조성 구배의 거리

KR101913939B1(발명의 명칭: 리튬이차전지 양극 소재 계면 안정성 개선을 위한 유기 첨가제 코팅 방법)은 인천대학교 산학협력단이 2017년 4월 17일 출원해 2018년 10월 31일 공고된 등록특허다. Google Patents 기준 법적 상태는 Active이며 예상 만료일은 2037년 4월 17일이다.

청구항 1은 세 단계로 이루어진 방법 청구항이다. 재서술하면 다음과 같다.

• S1: LiNi_xCo_yMn_zO₂(0.6 ≤ x ≤ 0.9, 0.05 ≤ y ≤ 0.2, 0.05 ≤ z ≤ 0.2)인 하이니켈 양극 활물질을 준비한다.
• S2: N,N-디메틸피롤리디늄 메틸 설페이트를 포함하는 코팅 용액에 양극 활물질을 넣고 교반해 유기 전구체를 습식 코팅한다.
• S3: 코팅된 물질을 분리해 열처리함으로써 설포네이트층을 고정한다.

종속항은 코팅량 1~10 wt%(실시예 최적 5 wt%), 용매 NMP, 대기압 550~650°C 열처리(실시예 600°C 3시간), 대상 물질 NCM811 등으로 범위를 좁힌다. 무기물 코팅이 주류이던 흐름에서 유기 전구체를 선택하고, 열처리로 전해액과 활물질 사이 계면을 안정화해 부반응을 줄이는 것이 목표다.

통찰: 이 특허의 권리 범위는 ‘니켈 90% 이상’ 논의가 시작되는 지점에서 끝난다. 청구항 1은 니켈 비율 x를 0.9 이하로 못 박았다. 따라서 니켈 90%를 초과하는 조성, 예컨대 에코프로비엠이 2021년 개발 완료를 밝힌 니켈 95% 양극재 같은 영역은 문언상 이 청구항의 권리 범위 밖에 있을 가능성이 있다. 초고니켈로 갈수록 코팅의 필요성은 커지는데, 공개된 대표 코팅 특허가 바로 그 앞에서 멈춘다는 점은 90% 초과 영역에 새로운 출원 여지가 남아 있음을 시사한다. 동시에 x = 0.9인 조성은 청구 범위의 경계에 걸치므로, 니켈 90% 제품을 개발하는 쪽은 이 특허를 FTO(침해 여부 검토) 대상에서 빼서는 안 된다.

CSG 기술은 층위가 다르다. 보도에 따르면 에코프로비엠의 CSG는 입자 중심부(코어)의 니켈 함량을 높이고 안전성을 강화하는 망간과 코발트를 배치하는 방식으로, 한양대 산학협력단의 특허를 사업화한 기술이다. 코팅이 합성 뒤의 ‘외부 처리’를 청구하는 방법 발명이라면, 조성 구배는 입자 자체의 구조나 조성을 청구하는 물건 발명 형태가 될 가능성이 크다. 따라서 코팅 특허를 회피했다고 해서 조성 구배 특허와의 관계가 정리되는 것은 아니며, 그 반대도 마찬가지다.

회피 포인트: KR101913939B1은 특정 화합물(N,N-디메틸피롤리디늄 메틸 설페이트)을 코팅 용액에 포함하는 습식 코팅과 열처리 단계를 요구한다. 문언상으로는 다른 황 함유 전구체를 쓰거나, 건식 코팅 또는 열처리 없는 공정을 택하면 이 구성요소를 결여할 여지가 있다. 또 니켈 90% 초과 조성이나 NCA처럼 망간 대신 알루미늄을 쓰는 조성도 청구항 1의 조성 한정을 벗어날 여지가 있다.

회피설계 시나리오(반론): 다만 구조가 유사한 다른 피롤리디늄계 설페이트 전구체를 써서 같은 설포네이트층을 같은 방식으로 얻는다면 균등론 판단 대상이 될 가능성이 있다. 반대로 특허권자 쪽에서도, 설포네이트나 황 함유 화합물로 양극 계면을 안정화하는 연구는 전해액 첨가제 분야에서 폭넓게 이뤄져 왔으므로 청구항의 진보성이 선행문헌 대비 다퉈질 가능성이 있다. 결국 회피 가능성과 권리 안정성은 개별 공정 조건과 선행문헌을 함께 대조해야 판단할 수 있다.

한계와 전망

낙관적 전망은 코팅과 조성 구배, 단결정화 같은 기술이 겹겹이 쌓이면서 니켈 90% 이상 양극재도 안정적으로 양산된다는 것이다. 반대 시나리오도 있다. 니켈 비중을 더 높일수록 용량 유지율과 안전성이 함께 떨어지는 경향이 연구로 보고돼 있는 만큼, 표면 처리만으로 초고니켈의 열안정성을 확보하는 데에는 한계가 있을 가능성이 있다. 그 경우 초고니켈 코팅 특허는 권리는 존재하되 실시할 제품이 적은 상태가 될 수 있다.

이 흐름은 에코프로비엠의 포트폴리오 방향에서도 읽힌다. 하이니켈 매출 비중이 99.8%에 이르는 상황에서 회사가 코발트프리(NMX), 하이망간(OLO), LFP, 나트륨이온 양극재까지 개발 목표를 넓힌 것은, 경쟁의 무게중심이 ‘니켈을 더 넣는 것’에서 ‘니켈과 코발트 의존도를 낮추면서 에너지밀도를 지키는 것’으로 옮겨갈 가능성에 대비한 것으로 해석할 수 있다.

전략적 대안은 하이니켈 특허 지도를 조성 구간별로 나눠 그리는 것이다. 니켈 60~90% 구간은 코팅·구배 특허가 촘촘히 겹치는 영역, 90% 초과 구간과 코발트프리 구간은 상대적으로 새 출원이 들어설 여지가 있는 영역으로 구분하면, 자사 로드맵의 각 제품이 어떤 권리 밀도 속에 놓이는지 한눈에 보인다.

실무 액션: 하이니켈 양극재를 개발하거나 조달하는 기획·IP 담당자는 자사 제품의 니켈 비율 x와 표면 처리 공정(습식·건식, 열처리 온도)을 먼저 표로 정리하고, KR101913939B1 청구항 1의 조성 범위(0.6 ≤ x ≤ 0.9)와 공정 단계에 겹치는지부터 확인하는 것이 좋다.

확인이 필요한 항목

• 에코프로비엠 CSG 기술의 기반이 된 한양대 산학협력단 특허의 번호, 청구항, 존속 여부
• KR101913939B1의 해외 패밀리 출원 및 기술이전 여부
• 에코프로비엠의 2025년 사업보고서(2026년 제출)에서 코발트프리(NMX) 상용화 일정이 변경됐는지 여부
• 니켈 90% 초과 조성을 청구하는 코팅·도핑 특허의 출원 동향

출처

1. Google Patents, KR101913939B1 – 리튬이차전지 양극 소재 계면 안정성 개선을 위한 유기 첨가제 코팅 방법(인천대학교 산학협력단)
2. 디일렉, 「에코프로비엠, 하이니켈만으론 한계…포트폴리오 확대 박차」(2025-03-18)
3. 전자신문, 「[상장기업 분석] 에코프로비엠, 하이니켈 양극재 개발 성과…”세계 1위 노린다”」(2021-03-07)
4. 에코프로비엠, R&D 분야 소개 페이지
5. Noh H.-J., Youn S., Yoon C. S., Sun Y.-K., “Comparison of the structural and electrochemical properties of layered Li[NixCoyMnz]O2 (x = 1/3, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 and 0.85) cathode material for lithium-ion batteries”, Journal of Power Sources 233 (2013) 121–130

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