특허로 본 Tesla 동향, 배터리 신기술 개발에 집중

작성자
techyoungil
작성일
2020-06-30 17:45
조회
17
esla의 최근 동향은 배터리 기술 개발에 집중하는 행보를 보이고 있다. 예를 들면 ▲ CATL과의 파트너십으로 중국에 새로운 배터리 셀 도입, ▲ 자회사 Redwood Materials의 고가 금속 리싸이클링, ▲ Roadrunner 프로젝트를 통해 저가의 배터리 셀 대량 생산 설비 적용, ▲ kWh당 100달러 이하의 대규모 자체 배터리 생산 목표 등이 주요 이슈로 공개됐다. 이와 관련해서 Tesla 특허출원 현황 및 배터리 분야의 주요 특허기술 내용을 살펴보았다.



Tesla의 미국 출원 현황

2020년 5월 31일 현재 미국특허 조사 결과에 의하면 총 324건의 특허를 출원했다(디자인 특허 18건 제외). 등록특허 264건, 공개특허 60건이며 81%의 높은 등록률을 보이고 있다. 공개특허 60건 중 19건은 2017년 이후 출원으로 현재 심사 진행 중이다.

2005년에 출원한 1건의 특허를 시작으로 해서 2010년 6월 나스닥 상장 당시에는 누적 건수 98건으로 증가했다. 2012년에 가장 많은 74건을 출원했으나 이후 급격한 감소 추이를 이어갔다. 최근 출원 특허 중 아직 공개되지 않은것도 있지만 2017년 이후 8건 출원한 것으로 나타났다.



년도별 미국 특허 출원 및 등록 현황



최근 동향은 배터리 신기술 개발

전체 특허 중에서 배터리 영역의 기술을 핵심으로 하는 특허는 177건으로 전체 출원의 55%를 차지하고 있으며 배터리 셀 관련 특허 38건(29%)도 포함하고 있다. 그동안 Tesla는 안전 사고 발생과 관련있는 열폭주 감소, 열폭주 감지, 과열 감지, 열적 쇼트 등 배터리 팩을 중심으로 한 위험 감소 및 완화 기술에서 많은 특허를 출원했다.

한편 최근 공개된 6건의 배터리 관련 특허는 Jeff Dahn이 이끄는 Tesla Motors Canada에서 출원했으며 특히 배터리 전해질의 첨가제 구성 관련 특허에서는 'Single crystal cathode' 기술을 제시하고 있다. 주요 내용은 아래와 같다.

카보네이트 용매, 유기 용매, 비수성 용매, 메틸 아세테이트 등 전해질 용매 중 2개의 첨가제 혼합물로 구성되는 배터리 시스템으로 성능 및 수명 향상, 비용 절감 (US20190036171A1)
리튬 이온 전지의 전해질을 특성화하는 기술로서 분광계로부터 실험 데이터를 분석하는 기술을 사용하여 리튬 이온 전지용 전해질 성분의 농도를 결정하는 방법 및 시스템 (US20190173122A1)
전해질 용매 중 2개의 첨가제 혼합물로 구성되는 배터리 시스템으로 2-furanone 포함 (US20190280333A1)
리튬 염, 비수성 용매 및 첨가제 성분을 포함하는 리튬 이온 배터리용 비수성 전해질에 관한 것으로 작용 첨가제는 Dioxazolones와 Nitrile sulfites (US20190393546A1)
2개의 첨가제 혼합물로 구성되는 배터리 시스템으로 1,2,6-oxodithiane-2,2,6,6-tetraoxide 포함 (US20190280334A1)
니켈-코발트-알루미늄(NCA) 전극의 제조 방법에 관한 것으로 2단계의 리튬 치환 반응으로 구성 (US20200127280A1)
주요 기술배경에서 우선 2개의 첨가제 혼합물로 구성되는 배터리 시스템의 필요성을 언급하고 있다. "충전식 배터리는 전기 자동차 및 그리드 저장을 위한 에너지 저장 시스템의 필수 구성 요소이다. 용도에 따라 에너지 저장 시스템에는 다른 특성을 필요로 한다. 특정 용도에 적합한 시스템을 만들기 위해서는 배터리 시스템의 화학 물질의 균형 유지가 필요할 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차와 같은 응용 분야에서 급속 충전 및 방전 능력은 시스템의 중요한 특성이다. 전기 자동차 오너는 교통 혼잡 상황에서 빠르게 가속할 필요가 있으며 이를 위해서는 시스템을 신속하게 방전하는 능력이 필요하다. 또한, 급속 충전 및 방전을 위한 시스템의 구성은 이러한 작동 조건 하에서 충분한 수명을 제공할 수 있어야 한다. 전해질 첨가제의 작용은 리튬 이온 기반 배터리의 수명과 성능을 높이는 것으로 나타났다. ....."

또한 리튬 이온 전지의 전해질 특성화의 필요성을 언급하고 있다. "리튬이온 배터리나 셀, 특히 고전압 셀의 주요 고장 원인은 전해질, 특히 충전 전극 표면에서의 전해질 열하이다. 셀 고장과 전해질 열하에 대처하기 위한 기존 해결책은 전극 표면에 축적되는 전해질 분해 생성물의 막에 초점을 맞추고 있다. 이들 막에는 전해질 용매와 전해질 염(예: 헥사플루오로인산리튬, LiPF6) 모두에서 유도된 화학적 부분이 포함되어 있다. 예를 들어 LiPF6는 LiF와 PF5로 분해되고, PF5는 쉽게 가수분해되어 HF와 PF3O를 생성한다. 이들 두 가지의 가수 분해 생성물은 전극 모두에서 반응성이 높으며 LiPF6 용액 내 불가피한 존재로 전극의 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 리튬이온 전지에서 전해질 용매와 전해질염 LiPF6의 소비 메커니즘이 결정되지만, 미지의 전해질을 특성화해서 전해질이 저하된 정도를 판단하는 저렴하고 정확한 방법은 존재하지 않는다."



Tesla, 전기차 플랫폼 구축의 완성 단계 진입?

Tesla 엘론 머스크는 2014년 전기차 시장의 생태계 조성과 인프라 확대를 배경으로 한 오픈소스 전략으로 자사 보유 특허권의 무상 공개를 선언한 바 있다. 무상 사용의 조건과 기간은 명확하지 않지만 초기 전기차 시장 구축에 기여한 바 크다고 볼 수 있다. 그동안 Tesla가 개발한 특허기술의 포트폴리오는 배터리 기술, 충전관련 기술 및 전기모터 기술에서 전체 건수의 60%를 넘고 있으며 인공지능 기반의 Autopilot 자율주행기술도 다수 포함하고 있다.

한편 2012년까지 증가했던 출원의 급격한 감소 현상, 잦은 안전 사고 발생에 대응하는 기술개발, 최근 공개되는 전해질 관련 배터리 신기술 특허 등의 상황을 보면서 'Tesla의 전기차 플랫폼 구축이 완성 단계에 진입한 것인가'를 예상해 본다. 배터리 성능과 안전성에 대한 기술은 관련 업체들의 현안과제로써 본격화되는 전기차 시대의 신기술로 진화될 것이다.
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