배터리 재활용의 미래: 리튬 이온 배터리용 습식 야금 기술의 특허 분석

리튬 이온 배터리(LIB)는 1990년대 소니가 상용화한 이래로 에너지 저장의 핵심 기술이 되었습니다.

리튬 이온 전지는 재활용 과정에서 모두 회수해야 하는 6가지 주요 구성 요소로 구성됩니다(그림 1 참조). 애노드와 캐소드는 전기 화학적으로 활성인 재료이고, 분리막은 두 전극을 전기적으로 분리합니다.

배터리 전문가들은 1991년 소니의 첫 번째 LCO 배터리 이후 계속해서 이어지는 세대의 기술을 정의해 왔습니다.

• 1세대(2010년 이전) : LCO 양극 - 흑연 양극.
• 2세대(2010-2020) : NCA/NMC 111 양극 - 흑연 양극.
• 3세대(2020-) : 저코발트 양극(NMC622-NMC811) – 실리콘 강화 양극.
• 4세대(2030년대) : 전고체 리튬 금속 전지 - 코발트 없는 산화물.

사용된 배터리를 재활용하는 것은 환경에 미치는 영향을 줄이는 것뿐만 아니라, 전자 폐기물에서 귀중한 부품을 회수하는 데 초점을 맞춥니다.

2040년까지 재활용을 통해 유럽 연합 내 배터리 생산에 사용되는 코발트의 51%, 니켈의 42%, 망간의 23%를 공급할 수 있을 것으로 추산됩니다. 그러나 리튬의 9%만이 2차 공급원에서 나올 것으로 예상됩니다.

LIB 생산 증가와 수명이 다한 배터리 관리 과제에 대응하여 여러 가지 재활용 기술이 개발되었습니다.

세 가지 주요 접근 방식은 열제련, 습식제련 및 직접 재활용입니다.

습식야금 기술은 LIB를 재활용할 때 산성 용액을 사용하여 리튬, 코발트, 니켈과 같은 귀중한 금속을 추출합니다. 이 공정에는 사용된 배터리를 분쇄하고 산(예: H₂SO₄ 또는 HCl)과 환원제로 금속을 용해하여 고순도 회수와 열적 방법에 비해 더 나은 선택성을 가능하게 합니다.

혁신 측면에서는 데이터 분석, 머신 러닝 등의 첨단 기술을 통합하여 프로세스를 보다 환경 친화적이고 자동화하는 것을 목표로 하는 개념인 "Hydro 4.0" 개발에 노력을 집중하고 있습니다.

• 혁신

기업과 연구 기관에서는 다양한 배터리 화학 물질(LFP, NMC, LCO 등)을 처리할 수 있는 특허받은 습식야금 재활용 기술에 투자하여 공정 유연성을 확보하고 있습니다.

• 1. 전기 투석 통합 : 말라가 대학의 연구자들은 수소 야금 재활용 공정에서 전기 투석을 사용하는 것을 제안했습니다. 이 접근 방식은 소모된 배터리에서 귀중한 금속을 분리하고 회수하는 것을 개선하는 것을 목표로 합니다. 이는 환경 영향을 줄이는 동시에 자원 회수를 최적화하여 순환 경제 논리에 부합합니다. 그러나 특히 에너지 소비와 시스템 최적화와 관련하여 과제가 남아 있습니다.
• 2. 선택적 침출 기술: 선택적 침출의 혁신은 시약 사용과 폐기물 생산을 줄이는 동시에 금속 추출을 극대화하는 것을 목표로 합니다. 이러한 공정은 높은 효율성으로 중요한 금속을 목표로 하며 재활용을 경제적으로 실행 가능하고 지속 가능하게 만드는 것을 목표로 합니다. 과제는 사용된 화학 물질과 반응 조건을 최적화하여 경제적 성과와 감소된 환경 영향을 조화시키는 것입니다.
• 3. 생분해성 산 침출을 통한 습식 야금 재활용: 이 혁신은 아스코르브산과 구연산을 포함한 생분해성 산을 사용하는 혼합 침출 시스템을 사용하여 소모된 배터리에서 금속을 추출합니다. 무독성이고 환경적으로 책임 있는 시약을 사용하여 Fatima et al.(2024)이 제안했습니다 .
  

이 세 가지 재활용 기술은 모두 리튬 이온 배터리를 지속 가능하게 관리하는 데 중요한 역할을 합니다. 열분해 야금은 대규모 처리에 효과적이지만 생태적 발자국이 큽니다. 직접 재활용하면 특히 배터리 표준화가 개선됨에 따라 환경 영향을 더욱 줄일 수 있습니다. 더 엄격한 규제와 함께 미래의 하이브리드 공정은 배터리 수요가 계속 증가함에 따라 혁신을 주도하고 순환 경제를 지원할 가능성이 큽니다 . 습식 야금은 더 나은 효율성과 지속 가능성을 갖춘 균형 잡힌 접근 방식을 제공하여 EV 배터리에 가장 유망한 방법이지만 신중한 화학 폐기물 관리가 필요합니다. 이것이 다음 특허 환경 분석이 이 기술에 초점을 맞춘 이유입니다.

특허 지형 분석은 혁신에 대한 귀중한 통찰력을 제공하며, 여기에는 기술의 미래를 예측하는 데 도움이 됩니다. 이 부분에서는 습식 야금 리튬 이온 배터리 재활용 혁신에 대한 특허 지형 분석이 이 혁신적인 솔루션의 배후에 있는 주요 산업 주체와 주요 연구 개발(R&D) 시장을 포함하여 이 기술의 차세대에 대해 무엇을 말해줄 수 있는지 공유하겠습니다.

이 기술의 혁신과 R&D 활동을 이해하기 위해, 우리는 독점적인 IP 인텔리전스 소프트웨어를 사용하여 매크로 검색을 수행했습니다. IP 컨설팅 서비스 전문성을 사용하여 수집된 특허를 분석함으로써, 우리는 이 분야의 연구 발전과 투자에 대한 매혹적인 글로벌 통찰력을 창출할 수 있었습니다.

전체적으로 이 데이터베이스는 지난 20년 동안 제출된 2,958개의 특허 패밀리로 구성되어 있습니다. 특허 출원 동향은 2004년부터 2024년까지 수소야금 리튬이온 배터리 재활용과 관련된 특허 활동이 상당히 증가했으며, 2017년부터 급격히 증가했습니다.

초기에는 특허 출원이 비교적 적었지만, 2017년부터 상당한 급증이 있었습니다. 2020년까지 허가된 특허의 수는 190건으로 정점을 찍었고, 2017년에 허가된 특허 78건에서 144% 증가했습니다. 마찬가지로, 보류 중인 특허의 수는 2017년의 4건에서 2021년의 127건으로 상당히 증가하여 기하급수적 성장을 보였습니다(아래에 표시).

이러한 급증은 전기 자동차, 가전 제품, 에너지 저장에 대한 수요 증가와 배터리 폐기물을 관리하고 녹색 전환을 위해 주로 리튬, 코발트, 니켈과 같은 재료를 회수하기 위한 지속 가능한 재활용에 대한 강조에 따른 것입니다.

당사의 특허 현황 분석은 리튬 이온 배터리의 습식야금 재활용 분야의 주요 업체를 보여줍니다.

• 일본의 대표적인 광업 및 제련 회사 인 스미토모 메탈 마이닝(Sumitomo Metal Mining Co. Ltd.) 은 79개의 허가된 특허와 21개의 보류 중인 특허를 보유하고 있으며, 이는 이 분야에서 강력한 지적 재산 포트폴리오를 반영합니다. 이 회사는 리튬, 코발트, 니켈과 같은 귀중한 금속을 효율적으로 회수하기 위한 환경 친화적인 공정에 초점을 맞춘 LIB의 습식 제련 재활용 분야에서 상당한 진전을 이루었습니다. 향상된 용매 추출 방법을 포함한 혁신은 환경에 미치는 영향을 최소화하는 동시에 금속 회수 효과를 높이고 배터리 재활용에 대한 지속 가능한 접근 방식을 촉진하는 것을 목표로 합니다.
  
• Hunan Brunp Recycling Technology 와 Guangdong Brunp Recycling Technology는 중국의 선도적 배터리 제조업체인 CATL(Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.)의 자회사로, LIB 재활용을 전문으로 합니다. Hunan Brunp는 폐배터리의 해체 및 습식야금 처리에 중점을 두고, Guangdong Brunp는 핵심 금속 회수에 집중합니다. 각각 45개와 44개의 특허를 취득했으며, 47개의 보류 중인 특허를 보유한 이 회사들은 재활용 기술을 발전시키고 LIB 순환 경제에서 중국의 리더십을 강화하고 있습니다. 만료된 특허의 수가 제한적이라는 것은 이들의 혁신이 여전히 매우 관련성이 높고 빠르게 진화하는 배터리 재활용 부문의 최전선에 있음을 시사합니다.
  
• 중남대학교 와 중국과학원 공정공학 연구소는 중남대학교에 35건의 특허를 부여하고, 31건의 출원 중인 특허를, 공정공학 연구소에 25건의 특허를 부여하여 상당한 기여를 한 선도적인 학술 기관입니다. 이들의 기여는 특히 중국에서 지속 가능한 재활용 기술을 혁신하는 데 있어 연구 기관의 중요성을 강조합니다.
  
• BASF 는 세계에서 가장 큰 화학 회사 중 하나로, 27개의 보류 중인 특허와 7개의 허가된 특허를 보유하고 있으며, 중요한 유럽 기업을 대표합니다. Iveco Group 및 Stena Recycling 과 같은 업계 리더와 협력하여 BASF는 전기 자동차 배터리 재활용 프로세스를 발전시키고 자원 효율성과 지속 가능성을 우선시합니다. 한편, Nanotech Energy 와의 북미 파트너십은 재활용 소재를 통합한 리튬 이온 배터리를 생산하여 CO₂ 배출을 줄이는 데 중점을 두고 있습니다. BASF는 학술 기관과의 지속적인 협력을 통해 배터리 소재의 혁신을 계속 추진하고 에너지 저장 분야의 지속 가능한 솔루션에 대한 의지를 강화합니다.
  
• JX Nippon Mining & Metals (허가된 특허 58개, 보류 중인 특허 4개, 만료된 특허 11개)는 재활용에 중점을 둔 자회사인 JX Metals Circular Solutions (허가된 특허 27개)와 함께 리튬 이온 배터리에서 고급 금속 회수 및 재활용 분야에서 일본의 기술적 리더십을 보여줍니다. 10개의 허가된 특허를 보유한 Mitsubishi Materials 와의 파트너십으로 강화된 이러한 혁신은 전자 및 자동차 폐기물에 대한 폐쇄 루프 재활용 솔루션을 제공하여 재활용 재료의 안정적인 공급을 확보하는 동시에 배터리 및 전자 산업에서 순환 경제와 글로벌 탈탄소화 목표에 대한 일본의 헌신을 지원하는 것을 목표로 합니다.
  
• Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives(CEA)는 14개의 허가된 특허와 4개의 보류 중인 특허로 구성된 적당한 포트폴리오를 보유하고 있습니다. 이러한 초점은 지속 가능한 기술을 발전시키고 프랑스의 순환 경제 목표에 기여하려는 프랑스 공공 연구 기관으로서의 사명과 일치합니다. 리튬 이온 배터리의 경우 CEA는 리튬, 코발트, 망간 및 니켈의 처리 및 재활용을 강조합니다.

우선권 국가 출원은 대부분 연구 개발(R&D)이 이루어지는 국가에서 이루어지므로, 이 데이터를 살펴보면 어느 국가가 가장 혁신적이고, 어느 국가가 자신의 발명품을 보호하려고 하는지 알 수 있습니다.

리튬 이온 배터리 재활용을 위한 습식야금 기술 분야의 특허의 지리적 분포는 대부분의 활동이 중국 에 집중되어 있음을 보여줍니다.

• 중국(CN)은 수년에 걸쳐 특허 출원이 상당히 증가했으며, 특히 2016년 이후로 증가했으며, 2023년에는 아직 완료되지 않았지만 이미 473개의 특허 패밀리로 정점에 도달했습니다. 이러한 추세는 광범위한 배터리 생산 및 소비로 인해 중국이 LIB 재활용에 강력히 집중하고 있음을 보여줍니다. 특허 출원에서 이러한 리더십은 글로벌 배터리 공급망에서 중국의 지배력과 재활용 기술에 대한 집중도가 높아지고 있음을 반영합니다.
  
• 일본(JP)은 특허 출원이 꾸준히 증가하고 있으며, 2018년에서 2021년 사이에 정점을 찍었습니다. 이러한 추세는 국내 공급이 제한되어 있기 때문에 재활용을 통해 리튬과 코발트와 같은 자원을 확보하는 데 중점을 두고 있다는 것을 보여줍니다. 재활용 기술 혁신에 대한 일본의 헌신은 자원 안보와 환경적 지속 가능성에 대한 전략적 목표와 일치합니다.
  
• 세계기구(WO) 특허 출원은 점진적으로 증가하여 2020-2023년경에 정점을 찍습니다. 이러한 추세는 이 분야에 대한 국제적 관심과 활발한 혁신이 증가하고 있음을 나타냅니다.
  
• 미국(US), 한국(KR), 유럽(EP)은 특허 출원에서 온건하지만 꾸준한 성장을 보이며, 글로벌 배터리 재활용 산업에서의 역할을 강조합니다. 미국과 한국은 일관된 출원을 보이며, 2020-2022년경에 정점을 찍습니다. 히트맵은 2010년 이후 출원이 상승 추세를 보이며, 2018-2022년 사이에 전기 자동차, 전자 제품, 재생 에너지 분야에서 LIB에 대한 수요가 증가하고 지속 가능한 폐기 솔루션에 대한 필요성이 증가함에 따라 빠르게 성장하고 있음을 나타냅니다.

• 중국은 1,800개가 넘는 특허 패밀리를 보유하여 상당히 선두를 달리고 있으며, 그 중 712개가 승인되었고 730개가 보류 중입니다. 이는 중국이 이 분야에서 주도적인 위치에 있고 헌신적임을 보여줍니다.
  
  이는 2023년 930만 대의 EV 생산(전 세계 생산량의 65%)과 840만 대의 판매(전 세계 매출의 59%)에 반영된 중국의 지속 가능성 추진과 일치하며, 2023년 판매의 약 90%가 국내에서 이루어집니다( 출처 ). EV 생산 및 소비 규모는 중국을 LIB 재활용의 주요 시장으로 확립하여 친환경적이고 효율적인 금속 회수 방법의 발전을 촉진합니다.
  
• 일본은 240건의 특허를 취득하고 92건의 출원을 진행 중인 강력한 활동을 보이고 있습니다. LIB 재활용 혁신에 대한 일본의 의지는 분명하며, 지속 가능한 배터리 관리 분야에서 강력한 발전 파이프라인을 보여줍니다.
  
• 미국(US)은 59개의 특허를 부여받고 117개의 특허를 보류 중인 적극적인 접근 방식을 보이고 있으며, 미국의 노력은 재활용 공정을 정제하고, 금속 추출을 위한 심층 공융 용매와 같은 새로운 방법을 탐색하고, 증가하는 배터리 폐기물을 해결하기 위한 확장 가능한 솔루션을 개발하는 데 집중하고 있습니다. 그러한 혁신 중 하나는 Aqua Metals의 특허로 보호되는 AquaRefining™ 공정 으로, 처음에는 납 재활용에 적용되었지만 현재는 리튬 이온 배터리 처리로 확장되고 있습니다. 주변 온도의 물을 활용하는 이 방법은 오염 물질 배출을 줄이고 금속을 효율적으로 회수할 수 있게 합니다. 그러나 환경적 이점에도 불구하고 이 특허로 보호되는 기술의 대규모 상용화는 여전히 과제입니다.
  
• 한국(KR)은 124건의 허가된 특허와 57건의 보류 중인 특허로 상당한 특허 활동을 보이며, 자원 회수와 친환경 기술에 대한 전략적 초점을 반영합니다. 정부 지원 R&D와 학계-산업 협력은 재활용 효율성을 높이고 수입 원자재에 대한 의존도를 줄이는 것을 목표로 합니다.
  
• 14개의 특허가 부여되고 56개의 특허가 보류 중인 유럽(EP)은 배터리 재활용을 위한 습식 야금 기술에 대한 특허 활동이 현저히 증가한 것으로 나타났습니다. 이러한 추세는 지속 가능한 기술을 촉진하고 전자 폐기물을 줄이는 EU 정책과 일치하며, 유럽 전역에서 습식 야금 재활용을 환경적, 경제적 이유로 우선순위로 삼고 있습니다.
  
• 인도 등 다른 국가에서는 특허 수가 적은 것으로 나타났는데, 이는 이 분야에 대한 새로운 관심이나 틈새 시장의 관심이 더 크다는 것을 보여주는 것일 수 있습니다.

배터리 재활용을 위한 습식야금 기술은 리튬 이온 배터리의 지속 가능한 관리에 유망한 진전을 제공합니다. 리튬, 코발트, 니켈과 같은 귀중한 금속을 회수하기 위해 화학적 공정을 사용함으로써, 이 접근 방식은 고순도 재료를 효율적으로 회수할 수 있으며, 이는 전기 자동차, 가전 제품, 재생 에너지 저장 시스템에 의해 주도되는 증가하는 수요를 충족하는 데 필수적입니다.

습식 제련 재활용과 관련된 특허 활동의 급증은 혁신적이고 비용 효율적인 솔루션 개발에 대한 글로벌 초점이 커지고 있음을 보여줍니다. 중국과 일본과 같은 국가는 야심 찬 규정과 재활용을 통해 필수 원자재를 확보하려는 전략적 목표에 따라 선두를 달리고 있습니다. 주요 산업 주체와 연구 기관은 선택적 침출 및 첨단 기술의 통합과 같은 새로운 기술을 적극적으로 탐색하여 효율성을 개선하고 환경 영향을 줄이고 있습니다.

최근 추세는 또한 산업과 학계 간의 협력 노력에 대한 관심이 커지고 있으며, 배터리 폐기물의 과제를 해결하기 위한 지속적인 혁신의 중요성을 강조합니다. 자동화와 친환경 공정의 발전으로 배터리 재활용의 미래는 밝아 보입니다. 규제 프레임워크가 전 세계적으로 강화되고 순환 경제 원칙을 뒷받침함에 따라, 습식 제련 재활용은 광산에 대한 의존도를 줄이고 보다 지속 가능한 에너지 환경을 조성하는 데 중요한 역할을 할 가능성이 높습니다.

특허 지형 분석은 연구 및 혁신 추세와 시장에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 이 분석이 수소야금 LIB 재활용에 대한 것이기를 바랍니다. 이 분야의 특허 활동에 대한 자세한 내용이나 다른 주제에 대한 구체적인 조언이나 지원이 필요하면 Questel IP 컨설팅 팀에 문의하세요 .