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[오토저널] 저탄소 모빌리티 분야 특허기반 산업혁신 전략–전기차 배터리

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2022-08-01 10:43:37

본문

모빌리티에 채용될 배터리 탐색
본 고는 오토저널 제43권 제12호(통권 제303호)에 실린 저탄소 모빌리티 분야 특허기반 산업혁신 전략 중 전기차 배터리 분야를 별도로 분석한 내용이다. <표 1>과 같이 11개 이차전지로 구분하고 2008년 출원되어 2021년 6월까지 공개된 IP5+PCT(한·미·일·유럽·중국, WIPO)의 유효특허 114,984건을 대상으로 하였다.

11개 이차전지 기술의 출원동향을 보면 다른 이차전지보다 선행 개발된 리튬이온전지가 양적 비중은 가장 큰 것으로 나타났으며, 출원 추세를 살펴보면 2017년 이후로 다른 이차전지 특허는 하향 추세를 보이는 반면, 리튬이온전지, 리튬전고체전지, 리튬금속전지, 리튬황전지 4개 분야만 유일하게 출원이 증가하는 것을 볼 수 있다.

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다른 배터리의 출원추세 변곡을 지켜봐야겠지만 현재 출원추세로 봤을 때 리튬이온전지, 리튬전고체전지, 리튬금속전지, 리튬황전지 등 4개 분야와 슈퍼캐패시터 정도가 향후 배터리 경쟁의 한축을 차지할 것으로 판단된다.

그렇다면 어느 국가의 어느 기업이 4개 이차전지의 출원에 영향을 미치는지 확인해 보도록 하자.

배터리 특허, 중국은 리튬이온전지 My way
<표 2>의 이차전지 출원건수 Top20을 보면 한국은 엘지화학, 삼성전자, 삼성SDI, 현대자동차 등 4개 기업, 일본은 TOYOTA 자동차 등 10개 기업, 중국은 CATL(Amperex Technology Limited) 등 5개 기업, 독일은 BOSCH 1개 기업으로 구성되었다.

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Top20 기업의 이차전지 특허 포트폴리오를 통해 집중+병행하는 분야를 확인할 수 있는데 이차전지 분야 특허출원 1~2순위를 보면 TOYOTA 자동차는 ‘전고체전지+리튬이온전지’를 병행하여 개발하고 LG화학은 ‘전고체전지+리튬황전지’, 삼성전자는 ‘전고체전지+금속공기전지’, 삼성SDI는 ‘리튬이온전지+리튬금속전지’ 병행 개발하는 반면 CATL, BYD, TDK는 ‘리튬이온전지’ 집중 등 기업별 1~2순위 집중, 병행 개발 분야가 다양한 것으로 나타났다.

<그림 2> Top20 기업의 출원비중 포트폴리오를 통해 국가간 경쟁구도를 보면 중국기업은 CATL 포함 리튬이온전지, 일본기업은 전고체전지, 우리나라 기업은 리튬금속전지, 리튬황전지 분야에 상호 차별적인 영역을 구축하는 것이 나타나는데, 중국기업은 차별적이라기보다는 리튬이온전지에 대부분의 출원을 할애(CATL 86.3%, BYD 83%, 칭화대 50.9%)하는 포트폴리오를 나타내고 있어 한국, 일본의 병행 포트폴리오와 달리 리튬이온전지 이외의 다른 배터리가 채용될 경우 전환비용에 대한 부담이 존재할 것으로 보인다.

•(TOYOTA MOTOR)는 리튬전고체전지 → 리튬이온전지 → 금속공기전지 → 리튬황전지 순
•(엘지화학)은 리튬전고체전지 → 리튬황전지 → 리튬금속전지 → 리튬이온전지 순
•(삼성SDI)는 리튬이온전지 → 리튬금속전지 → 리튬전고체전지 → 리튬황전지
•(AMPEREX TECHNOLOGY, CATL,ATL)는 리튬이온전지 집중 
•(BYD)는 리튬이온전지 집중

<표 3>은 이차전지별 등록비율과 미국내 진입(출원)현황을 나타낸 것으로 앞서 <표 2>, <그림 2>의 한미일 이차전지 포트폴리오와 비교해보자. 

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리튬계 상위 4개 리튬이온전지, 리튬전고체전지, 리튬금속전지, 리튬황전지 중 한국과 일본의 경쟁구도에 있는 리튬전고체전지가 미국출원 비중이 18.7%로 가장 높고 우리나라의 LG화학, 삼성SDI가 집중하는 리튬금속전지는 16.7%로 나타났다. 중국이 집중하는 리튬이온전지의 미국내 출원은 10.7%로 리튬계 상위 4개 이차전지 중 가장 낮은 것으로 집계되었다. 중국의 경우는 리튬이온전지와 자국 시장에 집중하는 양상을 나타내는 것으로 해석된다.

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집중하고 부상하는 이차전지는?
리튬황전지, 리튬전고체전지, 리튬금속전지는 특허집중도 및 시장확보력이 평균 이상으로 경쟁력이 높게 나타났으며, 레독스플로우전지의 경우 특허집중도는 다소 낮으나, 시장확보력은 가장 높게 나타났다.

우리나라는 리튬전고체전지, 리튬황전지, 리튬금속전지 기술의 특허집중도는 중국을 제외하고 가장 높게 나타났고, 시장확보력은 전반적으로 평균 수준으로 일본과 비슷한 수준을 나타내고 있다.

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중국의 경우 최근 출원건수 증가하여 특허집중도가 높게 나타났으나 해외출원이 이뤄지지 않아 시장확보력이 가장 낮게 나타난 것으로 결국 자국내 출원에 집중하는 것으로 해석된다.

리튬전고체전지의 경우, 특허점유율 및 특허증가율이 모두 평균 이상으로 상대적으로 특허 경쟁력이 높으며, 특허점유율 측면에서 리튬이온전지, 특허증가율 측면에서 리튬금속전지 기술의 경쟁력이 상대적으로 높게 나타났다. 리튬이온전지는 과거 누적된 출원건으로 인해 절대 특허건수가 많더라도 특허증가율이 낮게 나타날 수 있으나, 리튬전고체전지의 경우는 누적출원 대비 증가율이 가장 높아 최근 각국이 집중적으로 연구개발하는 분야로 해석된다.

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우리나라는 리튬금속전지를 비롯하여 리튬전고체전지, 리튬황전지 모두 특허점유율은 평균 수준이며, 특허증가율은 미국, 일본, 유럽 대비 다소 높은 것으로 나타났다. 리튬전고체전지의 경우, 중국을 제외하고 특허증가율이 가장 높아 특허적 경쟁력 우위를 확보하는 중으로 해석된다.

이차전지 경쟁-발전 방향 (우리나라 대응 방향)
본 고에서는 배터리의 특성이나 세부 구조 관련 특허보다는 이차전지 자체의 특허건수를 바탕으로 분석을 진행하였다. 특허관점에서 중국의 리튬이온전지 올인 전략(CATL, BYD 출원의 약 85%가 리튬이온전지)이 향후 한중일 3국으로 대변되는 배터리 전쟁에서 유의미한 영향을 미칠 것인지 사뭇 궁금하다.

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일본의 경우 리튬이온전지와 전고체전지의 병행 또는 전환 개발 중이고, 우리나라는 전고체전지, 리튬금속전지, 리튬황전지로의 병행 또는 전환 개발 중으로 나타났다. 앞서 얘기한 4대 리튬계 배터리 특성상 공유하는 기술이 존재하겠으나 향후 배터리 채용(환경-안전-성능-효율 관련 통상, 표준화, 시장반응 등)방향이 더욱 강화될 경우 해당 채용조건을 만족하지 못하는 이차전지는 High-end급 전기차에 탑재되기는 힘들 것으로 판단된다.

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내연기관차의 경우 과거 통계 1회당 평균주유 금액 3~6만원 구간이 72.8%(연합뉴스, 2012)로 15~35리터 정도의 가솔린(디젤)이 주유되며, 10km 연비 기준으로 보면 150~350km에 1회 주유하는 시간 정도는 감내한다고 볼 수 있다. 따라서, 내연기관차의 주유 시간 수준에서 150~350km 정도의 주행거리를 확보할 수 있다면 사회 수용성 측면에서 전기차 배터리로 사용하기 위한 검토가 가능할 것으로 판단된다.

향후, 고도의 배터리 기술확보를 통한 High-end급 전기 모빌리티와, 기존 내연기관차 사용자 통계를 통해 수용 가능한 성능의 전기 모빌리티 등 2가지 관점에서 지금까지 개발한 특허를 활용하는 방안을 검토할 시점이라고 생각한다.​

 

글 / 김상준 (한국특허전략개발원)

출처 / 오토저널 2022년 3월호  

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