세계 각지에서 수요가 증가하고 있는 전기자동차(EV)가 2030년경에는 신차 판매 대수에서 휘발유ㆍ디젤 자동차를 뛰어넘을 것이라고 전망되고 있다.

 

하지만 ‘친환경’이라는 이미지를 가진 EV는 사실 탑재된 배터리의 폐기 문제를 아직 해결하지 못한 실정이다. 2030년경부터는 대량의 배터리가 폐기될 예정이라서, 자동차 회사마다 배터리 재활용에 의한 지속 가능한 제조 사이클을 구축하는 것이 급선무이다.

 

현재의 전기자동차에 꼭 필요한 리튬이온전지에는 코발트 등의 광물이 사용되며, 채굴 등의 과정에서 다양한 문제를 안고 있다. 지속 가능한 전지 산업을 구축하려면, 재이용을 도입하는 순환 시스템이 필요하다.

 

1. 재이용 중요성

 

킥보드, 바이크, 스포츠카, 스쿨버스, 트럭, 전차, 비행기까지, 우리는 자동화된 교통기관의 시대에 살아가고 있다. 이것은 주로 급격하게 가격이 낮아지고, 성능이 개선된 리튬이온 배터리에 의한 결과이다. 품질이 더 좋아진 배터리 덕분에 소형부터 중량급까지 폭넓은 차종의 기술을 실현할 수 있게 되었다. 사용되는 리튬이온 배터리가 늘어남에 따라, 사용이 끝난 배터리의 수도 늘어날 수 밖에 없다. 전문가는 2030년까지 연간 50만 대의 차량, 또는 200만 톤의 배터리의 수명이 다할 것이라고 예측하고 있다.

 

전기자동차(EV)가 자동차 시장에서 차지하는 비율은 적기 때문에, 재이용의 파일럿 버전에 사용되는 배터리의 수는 적으며, 나머지는 재이용 기술 및 인프라가 개선될 때까지 저장된다. 역사적으로 가전 쓰레기는 쓰레기 폐기장으로 보내졌지만, 리튬이온 전지는 귀중한 메탈 등의 원료를 사용하고 있으므로, 이러한 원료를 꺼내어 가공하면 다시 배터리로 만드는 데 이용할 수 있다.

 

원재료인 리튬과 코발트는 매장ㆍ생산량이 한정되어 있어, 수요 증가로 인해 가격이 폭등하고 있다. 특히 코발트는 축전지 외에 의약품 및 초합금 등에도 폭넓게 이용되고 있어, 현재의 매장량과 채굴량을 볼 때, 앞으로 50~60년이면 고갈될 것으로 예상된다.

 

하지만, 이러한 배터리는 현재, 대부분 산업 폐기물로서 처리되고 있는 실정이다. 귀중한 희토류가 낭비되고 있는 이상, 채굴할 때에는 온실가스를 배출하기 때문에 환경을 파괴하게 된다.

 

EV 시장을 지속 가능하게 만들려면, 코발트나 리튬을 대신할 대체 재료를 개발하거나 폐기 배터리를 재활용, 재이용해야 한다.

 

리튬이온 배터리를 재이용하는 확립된 방법들이 다양하게 존재하지만, 동시에 기술, 경제, 물류, 규제 등의 분야에서는 해결해야 하는 과제들을 안고 있다. 이러한 배터리의 재이용에 관한 과제와 기회에 대해 살펴보고자 한다. 본 절에서는 배터리 재이용의 현재 상황을 대략적으로 살펴보면서, 배터리용 원료의 순환 구조를 만들고 리튬이온 전지의 지속 가능한 가격 연쇄를 구축하는 부분에 초점을 맞추고 있다.

 

2. 배터리의 수명

 

전기자동차가 사고 때문이든 수명을 다했든 달리지 못하게 됐을 때는 배터리를 처리해야 한다. 차량이 수명을 다한 후, EV용 배터리는 다른 EV에서 재이용되거나 EV 이외의 것에서 재이용(제2의 인생)되거나 원료를 회수(재활용)하거나 폐기된다. 배터리는 중간에 재이용되는가에 관계없이, 결국에는 모두 재이용되거나 폐기된다. 부적절한 쓰레기 폐기가 환경에 미치는 악영향을 줄이거나 원료를 회수하거나 가공되지 않은 원료를 통해 이익을 얻기 위해서는, 재이용 기회와 그 장벽을 이해해야 한다.

 

현재 소수의 대규모 시설이 고온 야금법이나 제련법에 의해 리튬이온 전지를 재이용하고 있다. 이러한 시설에서는 고온(~1,500℃)에서 불순물을 태우거나 코발트, 니켈, 구리를 뽑아낸다. 리튬이나 알루미늄은 보통 이러한 과정에서 소실되며, 슬러그라 불리는 폐품으로 내보내진다. 리튬은 어느 정도 재처리를 하여 회수할 수 있다. 하지만 현재의 제련 설비는 고가이며 에너지 소비도 매우 커서 유독한 불소 배출물을 처리해야 하기 때문에, 원료 회수율은 비교적 낮은 수준에 머물러 있다.

 

미국 선진 배터리 기업에 따르면, EV 배터리는 셀 용량이 정격 용량의 80% 이하가 됐을 때 수명을 다한다. 하지만 EV 배터리가 언제 수명을 다할지에 대해서는 알려지지 않은 부분이 많이 있다.

 

예를 들어, 미국에서는 자동차를 평균 12년 이상 주행하지만, 커다란 리튬이온 배터리를 실은 EV는 시장에 투입된 지 8년이 되지 않았으며, 그 중 절반 이상은 과거 2년간 판매되었다.

 

3. 배터리의 재활용

 

수명을 다한 배터리에게 제2의 인생을 부여하는 것은 배터리 제조사와 차량 제조사가 EV를 더욱 저렴한 가격으로 만들고, 이익을 증가시킬 수 있는 매력적인 기회이다. 재이용함으로써 배터리의 수명도 증가하게 되고, 한 곳에 고정된 배터리를 다른 장소로 이동(시켜 재이용)할 수도 있어, 배터리 생산으로 인한 악영향을 전체적으로 줄일 수 있다.

 

경우에 따라서는, 배터리는 다른 차량에서 금방 사용할 수 있도록 재생되어 많은 자동차 시스템의 수요를 연장한다. 따라서 배터리 팩이 기존보다 빨리 수명을 다했을 때는, 아직 제 기능을 하는 모듈과 셀을 재조합하여 재생 배터리 팩을 만들어, 다른 차량에서 이용한다.

 

크기가 크고 고성능이기 때문에 자동차에서는 이용이 끝나더라도 많은 용량을 제공할 수 있다. 배터리는 충전, 방전을 반복함으로써 열화된다. 열화란 차량에 보내기 위해 저장할 수 있는 에너지의 양이 줄어드는 현상을 말하며, 바꿔 말하면, 자동차가 한 번 충전했을 때 이전과 같은 거리를 주행할 수 없게 되는 현상이다. 하지만 차량용에 비해 요구되는 용량이 적은 곳에서 사용하면, EV 배터리가 제2의 인생을 얻게 된다. EV는 높은 전력을 필요로 하기 때문에, 저장한 전기에 액세스할 수 없지만, 출력이 낮고 고정된 형태를 취하면, 태양광 패널을 통한 에너지를 저장하여 오프그리드 또는 피크 시의 수요를 낮추는 데 사용할 수 있어 6~10년은 수명을 연장할 수 있다.

 

새로운 배터리는 경제적으로나 성능 면에서나 지속적으로 개선되어, 그것이 배터리의 재이용을 저해하는 원인이 되었다. 새로운 배터리의 가격은 성능이 좋아질수록 낮아지고, 사용 목적에 따라서는 중고 배터리보다 저렴했기 때문이다. 현재의 배터리 팩의 구조 설계와 프로프라이어터리 소프트웨어도 부품 교환을 제한하여 테스트와 재이용 비용을 낮추고 있다.

 

4. 중요한 광물의 회수

 

EV용 배터리는 복잡한 기술로 이루어져 있지만, 원리는 휴대전화에서 사용하는 리튬이온전지와 같다. 각각의 전지는 리튬 및 코발트 등으로 이루어진 양극, 흑연으로 이루어진 음극, 이를 나누는 세퍼레이터, 전해액으로 구성되어 있으며, 음극에 저장되어 있던 리튬이온이 양극으로 이동함으로써 전류가 발생한다.

 

휴대전화에서는 이러한 전지가 하나만 있어도 충분하지만, 자동차를 움직이려면 수많은 전지를 하나로 묶어야 하며, 총 무게는 수백 kg에 달한다(F-150 라이트닝의 배터리는 900kg에 달함).

 

이처럼 리튬이온전지는 주로 회수하여 새로운 배터리로 사용할 수 있는 희소 광물로 구성되어 있어, 생산비용을 낮출 수 있다. 현재의 리튬이온전지의 거의 절반에 가까운 비용은 광물의 비용이다. 배터리 양극에 사용되는 가장 고가의 원료 3가지(코발트, 니켈, 리튬)의 비용은 매우 쉽게 변동되며, 1년에 300%나 차이가 생기기도 한다. 그런데도 과거 10년 사이 전기자동차용 배터리의 가격은 전체적으로 90% 이상 낮아졌다. 더욱이 희소 광물의 재이용과 회수는 쓰레기 처리장으로 가는 원료의 양을 줄여준다.

 

배터리 양극의 전이금속 제작법에 따라, 에너지 밀도, 전력 밀도, 사이클 수명, 안전성, 비용 등, 배터리의 특성이 달라진다. 더욱이 양극 화합물의 선택도, 재이용 경제에 영향을 미친다. 회수한 원료의 가치가 재이용 과정에서 들어가는 높은 비용을 커버하기에 충분하지 않을 수 있기 때문이다.

 

양극용 합금 중에서도 코발트는, 가장 고가의 물질이다. 배터리 기술 업계에서는 생산비용을 낮추기 위해 코발트의 분량을 줄이는 추세인데, 그 때문에 재이용에 대한 동기부여도 동시에 줄어들고 있다.

 

재이용으로 인해 새로운 채굴을 줄이고, 원료의 고갈을 늦추고, 배터리의 밸류체인에서 약한 입장에 있는 사람들에 대한 악영향을 줄일 수 있다. 예를 들어, 전 세계에서 공급되는 코발트의 60%는 콩고공화국에서 채굴되는데, 무력분쟁, 불법 채굴, 인권 침해, 환경 파괴 등의 문제가 종종 발생한다. 배터리를 재이용하여, 코발트의 농도를 낮춘 양극을 재구축하게 되면, 국외로부터 들어오는 자원에 대한 의존도를 낮추고, 공급체인의 안전성을 높일 수 있다.

 

재이용된 배터리로부터 분리된 원료는 미래의 배터리 산업에 있어 중요하며 환경적으로도 바람직한 자원이 된다. 사용하는 원료의 내용과 그 가치가 균형을 이루면, 최적화된 양극의 재이용이 이익을 낳는 잠재성을 가진다는 연구도 존재한다. 그리고 더욱 중요한 것은, 재이용은 가공되지 않은 원료에서 양극 화합물을 생산하는 것보다 비용 경쟁력을 가지며, 환경적으로도 바람직하다는 점이다.

 

하지만, 희귀금속을 배터리에서 각각 따로 분리, 추출하는 것은 쉬운 일이 아니다. 현재의 재활용 방식은 미성숙한 실정이다. 대부분은 방전한 배터리를 분쇄하여 화로에 넣고, 용융한 후에 남은 구리, 니켈, 코발트 등의 합금을 정련한다. 이 방법은 대량의 에너지를 필요로 하는 데다 배출되는 유해가스 및 폐기물을 회수해야 한다.

 

장기적으로는 더욱 깨끗하고 더욱 효율적인 방법이 만들어질 가능성도 있다. 예를 들어, 각각의 전지에서 양극재를 추출한 후 각각의 금속을 추출하는 대신, 전지를 사용함에 따라 감소한 리튬 등을 추가함으로써 재생할 수 있다.

 

패러데이 연구소의 개빈 하퍼 연구원은 아직 개발의 초기 단계이긴 하지만, 이러한 접근방식으로 배터리 안의 더 많은 물질을 회수하여, 더욱 가치 있는 최종 생성물을 얻을 수 있지 않을까 하고 기대한다고 밝힌 바 있다.

 

5. 주요 사례

 

현재의 하이브리드 자동차가 시판된 것은 1997년이었으며, EV의 대명사인 ‘테슬라’가 양산되게 된 것은 2008년이었다. 현재 거리를 주행하고 있는 EV는 전성기를 맞았지만, 앞으로 5년만 지나면 ‘은퇴’할 시기를 맞이하게 되는 차들도 많다.

 

국제에너지기구(IEA)에 따르면, 향후 10년간 EV의 판매 대수는 800% 증가할 것이기 때문에, 장기적으로도 폐기 배터리의 해일이 밀려올 것으로 예상된다.

 

이러한 미래 예측으로 인해, 북미의 스타트업 기업들 사이에서는 이미 EV 배터리의 재활용을 위한 과감한 도전을 펼치고 있다.

 

아마존의 제프 베이조스나 마이크로소프트의 창업자 빌 게이츠도 투자한 미국의 스타트업 각사의 배터리 재생 사업의 현재 상황을 소개한다.

 

5-1. Redwood Materials

 

폐기 배터리 문제를 해결하고자, 2017년부터 시책을 진행해온 ‘Redwood Materials’, 테슬라의 공동 창업자 중 한 명인 J.B스트로벨이 설립한 스타트업 기업이다.

 

2019년까지 16년 동안 테슬라의 CTO로 일했던 스트로벨은 누구보다 EV 배터리 문제를 심각하게 생각하는 사람 중 하나다. 그의 말에 따르면, 이 문제는 오히려 ‘큰 기회’라고 한다. EV를 위한 서큘러 공급체인을 구축한다면, 산업에 큰 충격을 줄 것이라며, 직접 문제를 해결하기 위해 나섰다.

 

Redwood Materials의 거점은 네바다주 카슨시티다. 여기서는 가까이에 있는 파나소닉의 테슬라용 배터리 공장에서 나온 폐기물 외에 스마트폰, 랩톱 컴퓨터, 파워뱅크, 전기자동차, 전동 스쿠터 등에서 사용되었던 배터리를 처리한다. 미국의 언론 ‘CNBC’에 따르면, 여기서 처리되는 전자 폐기물은 연간 2만 톤이라고 한다. Redwood Materials는 2020년에 아마존과도 제휴를 맺어, 아마존으로부터 얻은 폐기 배터리를 처분하고 있다.

 

회수한 폐기 배터리를 연소하여 내용물을 녹인 다음, 액체에 적셔 특정한 물질을 침출한다. 이로 인해 니켈, 코발트, 알루미늄, 그라파이트를 95~98%, 그리고 리튬은 80% 이상을 회수한다. 그리고 이러한 물질들은 파나소닉을 비롯한 파트너 기업에 매각하고, 새로운 배터리로 재탄생하게 된다.

 

동사는 2020년에 지속 가능한 사업에 투자하는 회사인 ‘Capricorn Investment Group’과 ‘Breakthrough Energy Ventures(BEV)’로부터 4000만 달러(약 454억 원)를 조달했다. BEV는 제프 베이조스나 빌 게이츠도 출자하고 있는 에너지 관련 벤처 캐피탈이다. 현재는 카슨시티 공장의 처리 능력을 확대하고 있다.

 

5-2. Li-Cycle

 

Redwood Materials와 거의 같은 시기에 사업에 뛰어든 캐나다의 스타트업 ‘Li-Cycle’도 주목을 받고 있다. 동사 역시 EV 외에 가전제품이나 스마트폰, 랩톱 컴퓨터 등에서 사용이 끝난 리튬이온 전지를 회수하고, 특수 기술을 이용하여 그것으로부터 추출한 금속을 재활용 및 판매하는 사업을 전개하고 있다.

 

온타리오주 킹스턴에 있는 배터리 처리 시설 ‘Spoke’에서는 회수한 폐기 배터리를 기계에서 분해하여, 구리나 철, ‘Black Mass’라 불리는 전극재의 혼합물로 나눈다. ‘Black Mass’는 미국 뉴욕주 로체스터에 있는 시설 ‘Hub’로 보내지며, 거기서 수용액에 넣는 ‘습식 제련’을 통해 리튬, 니켈, 코발트 등을 뽑아낸다.

 

배터리 재활용 업계에서는 일반적으로 전지를 한 번 녹이는 제련 과정이 포함되며, 이러한 금속의 회수율은 평균적으로 40% 이하에 그치지만, 동사는 이를 95% 이상으로 끌어올린 데다가 폐기물을 내보내지 않는 ‘제로 웨이스트’ 프로세스를 만들어 냈다.

 

<그림1> 온타리오주 킹스턴에 있는 Li-Cycle의 폐기 배터리 해체 시설 ‘Spoke1’

자료 : Li-Cycle

 

2020년 4분기에는 제2의 ‘Spoke’가 설립되어, 리튬이온 배터리의 처리 능력이 연간 1만 톤으로 배로 증가했다. 2020년 말에는 벤처 캐피탈로부터 새로운 투자를 받았으며, 현재는 로체스터의 ‘Hub’를 확대하고 있다. Hub의 처리 능력은 2022년에 연간 6만 톤으로 확대될 예정이다.

 

<그림2> 킹스턴에 있는 Li-Cycle의 ‘데몬스트레이션 Hub’

자료 : Li-Cycle

 

2021년 들어서는 대형버스 회사인 ‘New Flyer’와 전기 버스에 탑재된 리튬이온전지의 재활용과 관련하여 제휴를 합의하였다. 동사 시설의 처리 능력을 공격적으로 확대한 것을 보면, 오게 될 폐기 배터리의 규모가 얼마나 큰지 알 수 있다.

 

 

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