고가의 리튬(Li)을 사용하지 않는 신형 배터리에 대한 경쟁이 본격화된다. 기업 및 기관별 특허의 경쟁력을 분석한 결과 나트륨 이온 배터리(NIB)는 미국의 스타트업인 Global Graphene Group이1위였다. 장래성이 있는 불화물 이온 배터리(FIB)는 Toyota가 강점을 보였다. 중국은 양적 측면에서, 일본은 질적 측면에서 선행하고 있으며 글로벌시장에서의 주도권을 확보하기 위한 향후 전략이 중요해진다.

현재 전기자동차(EV)와 스마트폰 등의 배터리로 널리 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 주원료인 리튬의 채굴지가 특정 국가에 편중되어 있으며, 재료 가격의 급등과 안정 조달의 관점에서 역풍이 불고 있다. 차세대 배터리로 기대를 모으고 있는 전고체 배터리도 리튬이온 배터리를 개량한 배터리이기 때문에 리튬이 필요하다. 이 때문에 리튬을 사용하지 않는 배터리의 개발이 필요한 상황이다.

니혼게이자이신문(日本經濟新聞)이 미쓰이물산(三井物産)전략연구소에 의뢰하여, 지적재산정보 서비스 미국 LexisNexis의 분석 툴 “PatentSight”를 사용해서 2003년 이후 유효 특허를 분석했다.

대상이 된 것은 “나트륨”, “불화물” 등을 활용하는 주요 7종 신형 배터리다.

국가별로 살펴보면 특허의 양으로 중국이 다른 국가를 압도했으나, 기업 및 기관별, 배터리의 종류별로 특허의 양, 질 등을 분석하면 다른 모습이 확인할 수 있다. 2022년 12월 기준 유효한 특허는 전체 9,862건이었다. 기업 및 기관별로 유효 특허1위는 중국과학원(395건), 2위 Toyota(236건), 3위 중국 중난대학교(中南大學, 234건)이다. 상위 10개 기업 및 기관에 중국 7개 기관, 일본 2개사, 미국 1개사가 포함되었다.

배터리의 종류별로 살펴보면, 나트륨 이온 배터리의 유효 특허가 가장 많은 4,346건으로 전체의 44%를 차지했다. 바닷물에서도 얻을 수 있는 나트륨을 사용해서 원재료비를 약 30% 절감할 수 있다.

전력을 저장하는 용량은 리튬이온 배터리보다 작지만, 수명에 해당하는 충전가능횟수는 2배인 4,000회 이상이다. EV부터 재생가능 에너지의 전력저장용까지 폭넓은 용도에 활용할 수 있을 것으로 전망되고 있으며 2020년대 중반에 보급이 시작될 것으로 보인다.

리서치기업 Bloomberg New Energy Finance는“2030년 무렵 나트륨이온 배터리가 중요한 역할을 수행할 것”이라는 예측을 내놓았다. 재생 가능 에너지용 외에도 차체 가격의 3분의1을 차지하는 배터리를 저렴하게 조달하고자 하는 EV메이커가 탑재에 나설 가능성이 있다.

유효 특허 수와 질적 측면을 추가하여 보유 특허의 경쟁력을 확인하는 종합지수에서, 주요 기업 중에서 1위에 오른 것은 미국 노스다코타 주립대학교발 스타트업 Global Graphene Group(447점)이었다. Global Graphene Group은 원래 다양한 종류의 배터리 음극에 사용하는 탄소재료에 강점을 보유하고 있다. 나트륨 이온 배터리용으로도 시트형 탄소재료 “그래핀(Graphene)”으로 음극을 만들거나 양극에 유황을 추가하여 용량을 늘리는 특허를 보유하고 있다.

▲ Central Glass는 나트륨 이온 배터리용 전해액을 개발하고 있다

Global Graphene Group에서 종합지수가 높은 특허를 살펴보면, 전극에 불필요한 불순물이 생겨서 배터리의 수명이 단축되는 것을 방지하는 기술, 고용량 나트륨 이온 배터리의 제조방법, 안전성이 높은 고체 전해질을 사용한 배터리 등이 있다.

나트륨 이온 배터리에 관련된 다양한 요소 기술을 보유하고 있다. 종합지수에서2위를 기록한 중국과학원(266점)은 안전성과 용량을 높이는 고체 전해질과 전극 제조법을 보유하고 있다. 2022년 6월에 음극에 금속 나트륨을 사용하여 용량을 리튬이온 배터리와 비슷한 수준으로 늘리는 기술을 발표했다.

일본메이커 중에서는 Central Glass(182점)가 3위에 올랐다. 고온과 저온에 강한 전해액을 개발했다. Central Glass의 쓰지오카 쇼이치(?岡章一) 상무는 “성능과 관련된 불소 화합물의 양산화가 전문”이라고 설명했다. 전해액 시험 제공을 시작하고 있으며, 2024년 판매 개시를 목표로 하고 있다.

2023년에 세계에서 가장 먼저 나트륨 이온 배터리를 양산하고 EV용으로 공급하는 중국의 배터리 메이커 CATL은 5위에 올랐다. 수명을 연장하는 전극 부품재료와 전해액을 개발했다. CATL이 개발한 나트륨 이온 배터리의 용량은 1kg 당 약 160Wh로 리튬이온 배터리의 약 60%에 해당한다.

2030년 이후 실용화할 것으로 보이며, 장래성이 있는 차세대 배터리 분야에서는 미국과 일본이 강점을 보이고 있다. 불화물 배터리는 Toyota가 1위이며, 종합지수는 151점으로 2위인 무라타제작소(村田製作所)의 5배 이상의 점수로 독주하고 있다. 2018년에는 소재 조합을 연구하여 배터리 용량을 늘리는 양극 재료 특허를 출원했다.

교토대학교(京都大學)와 배터리의 원형 시험제작을 완료했으며, 화제가 되고 있는 수명을 늘리는 연구를 추진하고 있다. 불화물 배터리는 이론적으로 리튬이온 배터리의 약 10배의 용량을 실현할 수 있는 가능성이 있다. 교토대학교의 아베 타케시(安部武) 교수는 “용량을 향상시키고 비용을 낮추면 자원 리스크에도 대응할 수 있다”고 설명했다.

유효 특허 수는 나트륨 이온 배터리에 이어 가장 많은 아연 이온 배터리의 종합지수에서, Global Graphene이 1위(91점)를 기록했으며, 2위는 중국과학원(68점)이었다.해당 배터리는 용량이 리튬이온 배터리보다 떨어지지만, 안전성이 높다.

EV용 등 대형화에 적합하다.

◆ 특허의 양은 중국, 질은 미국과 일본이 우위

특허의 양에서는 최근 10년 사이 중국 메이커의 대두가 두드러진다. 현재 가장 많은 특허를 보유하고 있는 중국과학원에서도 2012년에는5건으로 당시 1위였던 Panasonic(41건)이나 2위 Toyota(26건)와는 차이가 컸다. 2022년 12월에는1위인 중국과학원을 포함해서 중국 메이커의 점유율이 74%에 달했다.

다만 중국메이커는 자국에서의 특허 출원을 우선 시하고 있으며, 외국에서 유망한 특허는 적다. 중국과학원의 경우, 자국에서 유효한 특허 가치의 종합 지수는 421점으로, 해외에서 유효한 특허를 포함한 종합지수 전체의 97%를 차지한다.

Toyota와 Global Graphene, Central Glass가 미국, 일본, 유럽, 한국에서 괜찮은 밸런스의 점수를 얻은 것과는 대조적이다. CATL과 다른 중국의 연구기관도 자국에서 점수를 획득하는 경우가 두드러진다.

미쓰이물산전략연구소의 이시구로 류스케(石黑隆介) 담당자는 “현시점에서는 중국 메이커의 특허의 질은 미국, 일본, 유럽에 비해 뒤떨어진다”고 지적했다. 일본기업은 지금까지 반도체와 가전, 리튬이온 배터리 등의 분야에서 기술로는 앞서지만 산업화와 시장 점유율 확대에서 뒤처지는 역사를 반복해왔다.

중국의 배터리 개발에 밝은 미쓰이물산전략연구소의 Jian Zhao 담당자는“중국 기업이 나트륨 이온 배터리의 양산에서 선행하게 되면 공급망의 형성과 기술의 국제 표준화를 통해 산업의 주도권을 쥐게 될 수도 있다”고 지적했다.

차세대 배터리에서 살아남는 기술의 우위성을 빠르게 산업화 할 수 있을 것인가. 과거의 실패를 통해 배운 기업전략과 정책이 필요한 상황이다.