전고체 플렉서블 2차전지

관련종목 : 삼성전자, LG에너지솔루션, 에이프로

 

 

1. 기술개요

배터리는 일반적으로 1차 전지와 2차 전지로 분류되며, 1차 전지 배터리는 재충전할 수 없어 배터리 수명이 다한 후에 교체해야 하지만, 2차 전지 배터리는 지속적으로 충전하고 재사용할 수 있음

이차전지는 첨단소재 분야에 속하는 기술로, 산업 전반에 걸쳐 다양한 기계 및 장치에 전원을 공급하거나, 전력 부족 및 정전 시 사용됨

이차전지는 반복적인 충·방전을 통해 반영구적으로 사용가능한 전지로서 외부의 전기 에너지를화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장했다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치로서, 이차전지는 고안정성, 고성능화를 이루기 위한 핵심소재인 양극재, 음극재, 분리막 및 전해질로 구성됨

모든 이차전지는 양극과 음극이라는 활물질들을 가지고 있고, 분리막에 의해 분리되어 있으며, 전해질이 양극과 음극사이의 이온전달을 가능케 하여 산화와 환원반응을 일으키게 됨

충전은 양극에서 분리막을 지나 음극으로 이동하며, 방전은 음극에서 양극으로 이동하는 것을 의미하며, 미래이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차에 필수적인 리튬이온 전지가 대표적인 이차전지로 꼽힘

이차전지는 충전을 통해 500번에서 2,000번까지 반복해 사용할 수 있어 경제적이고 친환경적인장점이 있고, 이차전지의 종류로는 납축전지, 알칼리전지, 리튬전지, 레독스플로우전지, 전고체전지 등 다양한종류가 있음

대표적인 이차전지로 꼽히는 리튬이온전지의 경우, 동일 용량의 다른 배터리보다 무게와 부피소형화가 가능하며, 카드뮴, 납, 수은 등 환경 규제 물질을 포함하지 않으며, 충전 가능 용량이 줄어드는 메모리 효과가 없고, 보통 배터리보다 높은 출력 구현이 가능하다는 이점도 있음

대표적인 이차전지인 리튬이차전지는 동일 용량의 다른 배터리보다 무게와 부피 소형화가 가능하여, 카드뮴, 납, 수은 등 환경 규제 물질을 포함하지 않아  충방전 성능이 우수하여 경제적이고 친환경적임

현재 주력제품인 리튬이온 이차전지는 에너지밀도를 무리하게 증가시키면 폭발의 위험성이 있어 미래의애플리케이션을 모두 감당하기에는 한계점이 존재하여 기존 리튬이온전지보다 에너지밀도와 안전성이높고, 빠른 충전과 장수명이 가능하며, 가격이 저렴한 차세대 배터리를 연구 추진되고 있음

이차전지 수요 중 가장 큰 부문은 차지하는 전기자동차용 이차전지 요구 성능에 따라에너지밀도 향상과 가격저감을 중점으로 기술개발이 이루어졌으나, 현재 기술적 진화의한계에 도달한 상황으로 소재의 변화를 통한 차세대 이차전지 개발이 진행되고 있음

이차전지 4대 소재는 국산화가 이루어졌으나, 이차전지에 비해 세계시장 점유율이 낮은등상대적으로 발전 미흡함

양극활물질과 분리막은 국내조달 비율이 높지만, 음극활물질과 전해질은 아직까지 낮은 수준이며, 양극활물질과 분리막은 과거 대일 의존도가 높았으나, ’10년 이후 국내 업체들의 성장으로, 기술개발을 선도하고 있음

전해질과 음극활물질은 일본 및 중국으로부터의 수입비중이 높은 편임

장비 업체들의 실적 성장도 향후 2~3년 동안 크게 나타날 것으로 기대되며, 주요 이차전지 업체들은 ’20년까지 60~100GWh 수준의 용량에 도달하기 위해 현재 보유하고 있는 용량보다 2~3배 이상증설에 나섬

배터리 셀의 에너지밀도, 배터리 형태, 제조 방식, 생산 속도, 신규 부지구입 유무에 따라 업체별로 투자 금액은 편차를 보이겠지만 주요 이차전지 업체들의 합산 투자 규모는 30조 원 이상이 될 것으로 전망

 

2. 국가연구과제 현황

본 분석에는 2021년 11월 25일까지 공개된  국가과학기술지식정보서비스(NTIS)를 활용

국가R&D사업 수행을 통해 발생한 국가연구개발성과를 대상으로 검색하여 분석DB를 구축

이차전지용 음극/양극 활물질 분야의 경우 총 2,268건이 검색됨

대학이 전체의 51%(1,147건)를 차지하고 있으며, 그 뒤를 출연연구소 21%(468건)으로 나타났고, 2010년 이후부터 연구동향이 급격히 증가세를 보임

주로 특허의 성과로 74%(1,676건)을 차지하였으며, 연구보고서의 경우 약 6%(139건)을 차지함

 

 

3. 특허동향

본 분석에서는 2021년 11월 25일까지 공개된 특허 정보(WINTELIPS DB)를 사용

분석특허는 아래 표와 같이 한국(KIPO), 미국(USPTO), 일본(JP), 유럽(EPO), 중국(CN)를 대상으로 기술 관련 특허를 검색하여 분석DB를 구축

정량분석구간: ~2019.12.31.(출원연도 기준, 미공개 특허존재구간 제외)

일반적으로 특허출원 후 18개월이 경과된 때에 출원 관련정보를 대중에게 공개하고 있음. 따라서 아직 미공개 상태의 데이터가 존재하는 2020~2021년 자료는 유효하지 않으므로 정량분석은 ~2019년까지 한정함

검색DB	Wintelips (www.wintelips.com)
조사범위	공개 및 등록 특허
조사대상 국가	한국(KR), 미국(US), 일본(JP), 유럽(EP), 중국(CN)
분석구간	~2021.11.25
검색식	((음극활물질* ((음극* 네가티* 내가티* 네거티* 내거티* 마이너스* 음전극* 부극* anode* negative*) adj (활물질* active* material*)) 음극물질* 음극재* 부극*) 양극활* 양극소재* 전극활* 양전극활* 정극활* 양극활물질* 양극활성물* 정극활물질* 정극활성물* ((cathod* positive* 양극* 정극* 캐소드* 캐쏘드*) adj (활물질* 활성물* 물질* activ* material*))).ti,ab,cl. and ((((lithium* lithuim* Li*) adj ion* adj2 batter*) 리튬이온이차전지* 리튬이온배터리* ((리튬* 리툼* 리티움* 리티윰* 리츔* 리춤* 리치움* 리치윰* Li* lithium* lithuim*) adj2 (이온* 2차* 이차*)) 리튬이온* 리튬이차* 리튬2차*)).ti,ab,cl. and (전고체전지* 고체전지* 고형전지* 전고형전지* 고상전지* 전고상전지* ((고체* 고상* 전고상* 전-고상* 고형* 솔리드* 전고체* (all adj solid*) solid* all-solid*) near3 (전지* 배터* 밧데* 바테* 충전* 축전* 셀* 밧테* 전해질* 전해액* cell* batter* electrolyt* electrode* capacit*)) 고체전해* 전고체전해* 고상전해*).ti,ab,cl.
검색결과	한국 (KR)	미국 (US)	일본 (JP)	유럽 (EP)	중국 (CN)	총합
	228	109	628	17	441	1423

전체 특허출원동향 조사결과, 전고체 전지기술은 1990년대부터 완만한 상승을 보이는 출원율을 보이며, 2005년을 기점 상승폭이 증가하다가 2018년 최대 상승폭에 도달한 후 서서히 출원율이 감소하는 모습을 보이고 있음

[구간별 점유율] 6구간이 (46%)로 가장 많이 특허를 출원한 구간으로 나타나며, 그 다음으로 5구간(25%), 4구간(12%), 3구간(4%), 2구간(3%), 1구간(3%) 순으로 나타남

[구간별 연평균성장률(CAGR)] 1구간(23.2%)에서 특허출원수가 가장 빠르게 증가하였으며, 다음으로 4구간(9.4%), 6구간(6.1%), 5구간(5.8%), 2구간(3.4%), 3구간(-5.1%) 순으로 나타남

1구간(~1994년), 2구간(1995~1999년), 3구간(2000~2004년), 4구간(2005~2009년), 5구간(2010~2014년), 6구간(2015~2019년), 미공개문헌 존재구간(2020~2021년)

<자유변형 가능한 전고체 전지기술 연도별 및 구간별 특허출원동향>

 

 

5개 주요시장국별 특허출원동향 조사결과, 일본은 1구간부터 3구간까지 완만한 상승폭을 나타내는 특허출원율을 보이다가 4구간 이후 상승 곡선을 그리는 출원율을 나타내고 있음.

 

한국, 미국, 중국 및 유럽연합은 스마트기기와 웨어러블 기기의 개발이 활발해진 4구간 이후부터 출원율이 상승하는 모습을 보이고 있는 점을 볼 때 전세계적으로 차세대 배터리 관련 기술인 전고체 전지기술에 대한 관심이 증가하고 있는 것으로 나타남

 

1구간(~1994년), 2구간(1995~1999년), 3구간(2000~2004년), 4구간(2005~2009년), 5구간(2010~2014년), 6구간(2015~2019년), 미공개문헌 존재구간(2020~2021년)

< 자유변형 가능한 전고체 전지기술 출원구간별 주요시장국별 특허출원동향(좌: 출원점유율, 우: 출원건수)>

 

자유변형 가능한 전고체 전지기술 전반적으로 성장기 모습을 보이는 성장기 단계의 기술로 판단됨. 자유변형이 가능한 특성으로 다양한 웨어러블 전지가기의 디자인 자유도를 높여줄 기술로 평가되어 차세대 배터리로 주목받는 기술로 활용 범위가 확대되면서 해당 기술에 대한 연구 개발이 증가하는 것으로 보임

자유변형 전고체 전지기술은 1구간부터 4구간까지는 소극적인 출원인과 출원건수를 보이다가 4구간 이후 출원인과 출원건수의 수가 증가하는 양상을 나타내고 있음

 

<자유변형 가능한 전고체 전기기술별 성장단계 파악>

 

한국 출원권자는 삼성전자, 한국생산기술연구원, LG화학, SONY, JX NIPPON MINING & METALS, TOYOTA MOTOR 社로, TOYOTA MOTOR는 일본의 다국적 자동차 제조업체로, 렉서르, 다이하쓰, 스바루 등의 자회사가 있으며, SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES 社는 전선, 광섬유 케이블 특히 자동차 배선 부품을 제조하는 일본기업이고, IDEMITSU KOSAN 社는 일본의 석유회사로, 일본에서 두번째로 큰 정유 회사임.

 

SONY 社는 소니그룹의 전자제품 자회사로 이미징 제품, 가전 및 오디오, 모바일 제품 등의 개발, 생산하는 전자사업을 담당하고 있으며, PANASONIC 社는 리튬이온 전지를 제조하는 일본의 전자제품 관련 회사이고, SHOWA DENKO 社는 화학 제품 및 산업 재료를 생산하는 일본 화학 회사로 자회사인 하타치 화학공업사가 있음.

 

JX NIPPON MINING & METALS 社는 구리, 금, 은과 같은 비철금속을 개발, 채굴, 제련, 정제 및 판매하는 회사로 소모성 전자 재료의 선두 공급업체임.

 

<상위출원인 TOP10의 주요시장국별 특허출원동향>

 

주요출원인 TOP10의 기술·시장성을 상대비교한 결과, 전체구간에서는 PANASONIC (일본)에서 기술·시장성이 우수한 선도기관으로 나타남

[전체구간] 기술/시장 의존 기업으로는 IDEMITSU KOSAN (일본), JX NIPPON MINING & METALS (일본), TOYOTA MOTOR (일본) 시장선도 기업으로는 삼성전자㈜ (한국), SHOWA DENKO (일본), SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES (일본), SONY (일본)

본 분석은 특허의 지표를 기반으로 한 평균대비 상대적 분석이므로, 실제 현장에서의 선도 기업은 상이할 수 있음

(기술·시장성 진단) 기술적으로 영향을 미치는 정도(피인용도의 비율)와 시장(패밀리 특허) 확보력으로부터 주요 출원인의 특허가 질적 또는 상업적으로 얼마나 우수한가를 평가

피인용도지수(CPP): 후발특허에 의해 인용된 피인용 횟수의 평균값으로 특허의 질과 기술적 영향력을 평가하는 지표

시장확보력지수(PFS): 한 발명에 대해 각 국가마다 출원된 특허(패밀리특허, Family patent)로부터 시장확보의 정도를 나타내는 지표

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<자유변형 가능한 전고체 전지기술 주요출원인 TOP10의 기술·시장성 비교>