'차세대 배터리' 실리콘 음극재 특허, 韓이 주도…中은 양적 우위

출처 SNE리서치 '부피팽창을 넘어서는 차세대 Si음극소재' 보고서. *1구간: 2000-2004년, 2구간: 2005-2009년, 3구간: 2010-2014년, 4구간: 2015-2019년, 5구간: 2020-2024년

이차전지의 용량과 충전 속도를 크게 개선할 수 있는 차세대 소재인 실리콘 음극재에 대한 핵심 특허를 한국 기업들이 다수 보유하고 있는 것으로 나타났다. 다만, 전체 특허 수로는 중국이 압도적으로 큰 비중을 차지했다.

14일 이차전지 시장 조사 업체인 SNE리서치가 발간한 '실리콘산화물(SiO)-실리콘카바이드(SiC) 특허 리포트'에 따르면 중국은 2024년 기준 2726건의 특허를 출원해 전체의 68%를 차지했다.

그 뒤를 이어 한국이 801건으로 전체의 20%를 차지했으며 미국(9%), 일본(3%)이 그 뒤를 이었다.

특허 피인용 횟수와 특허 패밀리 수(같은 발명에 기반한 특허의 모임)를 기준으로 한 핵심 특허 수는 LG화학, LG에너지솔루션, 삼성SDI, 대주전자재료 등 한국 기업들이 선두에 있는 것으로 나타났다. 미국의 에너베이트(Enevate), 일본의 신에쓰(Shin-Etsu) 등도 다수의 핵심 특허를 보유하고 있다.

실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재에 비해 용량 이론이 10배 이상 높아 리튬이온 배터리의 용량 한계를 극복할 수 있는 소재로 주목받고 있다. 또 리튬 확산 속도가 빨라 고속 충·방전이 가능하다. 반면 충·방전 시 부피 팽창(스웰링)이 발생하는 고질적인 문제를 안고 있다. 이는 배터리의 수명 및 안정성을 악화시킨다. 실리콘 음극재는 제조 공정이 복잡해 가격도 비싸다. 배터리 업계에서는 흑연 음극재에 실리콘 음극재를 혼합해 사용한다.

초기에는 실리콘 산화물 기반의 복합체가 주목을 받았으나 팽창과 수축을 반복하며 전극이 파손되는 문제로 인해 최근에는 전기 전도성 및 안정성이 우수한 실리콘 카바이드로 무게의 중심이 옮겨지고 있다.

SNE리서치는 "내부 공간을 확보해 팽창을 흡수할 수 있는 요크-셸(Yolk-Shell) 구조가 새로운 표준으로 부상하고 있다"고 설명했다. 요크-셸 구조란 팽창 문제를 계란의 노른자(yolk)처럼 내부 실리콘을 외부 보호층(shell)이 감싸고 있는 구조를 말한다.

중국은 베이터뤼(BTR), 비야디(BYD) 등을 중심으로 실리콘카바이드 구조체 및 양산 공정 관련 특허를 다수 보유하며 특허 수 기준 글로벌 우위를 차지하고 있다. 일본의 신에쓰는 소재 합성 및 표면 개질 분야에 강점을 보이고 있다.

한국은 LG에너지솔루션, 삼성SDI를 중심으로 복합 구조 설계 및 계면 안정화 기술을 고도화하며(SiC-SiO 복합체), 특허의 질적 경쟁력을 바탕으로 점유율을 높여가고 있다.

SNE리서치는 "실리콘 음극재는 특히 전고체 배터리·고출력 전기차 등 차세대 응용 분야에서 필수적인 소재로 자리 잡고 있다"며 "중국의 양적 우위에도 불구하고 한국은 특허의 질적 경쟁력을 기반으로 시장 내 기술 주도권을 확보하고 있으며 구조 설계·계면 안정화·고에너지복합체 개발 등의 집중 투자와 연구가 시장판도 변화의 열쇠가 될 것"이라고 분석했다.

강희종 에너지 스페셜리스트 mindle@asiae.co.kr