출처 : https://brightinnovation.jp/carbon/1895/

 

글로벌 시장조사회사 블루위브컨설팅(BlueWeave Consulting)의 최근 조사에 따르면, 리튬이온 전지(LIB)의 재활용 시장 규모는 2022년에 62억 2,000만 달러로 추정되며, 2029년에는 5배 이상인 324억 달러 규모가 될 것으로 예측했다.

 

싱크탱크 및 시장조사회사의 잇따른 시장 확대 분석, 그리고 미국의 인플레이션 감축법, 유럽의 배터리 규제 의해 재료 조달 규제 및 재활용 재료 이용의 촉진이 강화되어, LIB 재활용의 니즈가 큰 관심을 받게 되어 투자 속도가 높아지고 있다. 하지만 현재 이용되고 있는 기술의 한계, 비용 문제, 중국 이외의 미숙한 2차 재료(재활용 재료) 시장, 그리고 전지 재료의 변화 및 화학적인 재료 특성을 고려하는 면밀한 조사는 이루어지지 않고 있다.

 

위의 조사 결과는 대부분 매크로적인 시장 분석과 각사의 공식 발표를 정보 소스로 삼고 있다. 이 글에서는 LIB 재활용에서의 기술적인 한계, 비용 문제, 선행되고 있는 중국의 영향 등, 원래대로라면 더욱 많이 고려되어야 하는 부정적인 점에 초점을 맞춘다. 또한 이 글에서 말하는 LIB는 리튬이온 이차전지로 한정한다.

 

LIB 재활용의 문제

 

현재 일반적으로 이용되고 있는 LIB에는 다양한 종류가 있으며, 양극재 활물질에 따라 종류가 나뉜다. 주로 코발트계, 니켈계, NCA(니켈/코발트/알루미늄)계, 망간계, 인산철계, 삼원(니켈/망간/코발트)계, 티탄계, 리튬폴리머계 등이 있다.

 

LIB 재활용의 공정에는 폐기된 LIB의 수집 운반 공정, 분해 및 방전을 포함한 재활용 전처리 공정, LIB 자체를 재활용하는 것까지 3가지의 공정이 있다.

 

첫 번째 문제는 폐기 LIB를 수집하고 재활용 공장으로 운반하는 단계이다.

 

전자기기, 모바일 제품, 공구, 소형 가전제품 등에는 다양한 종류의 전지가 사용되며, LIB만도 여러 종류가 이용되고 있다. 그러므로 제품이 폐기ㆍ수집되는 경로에서 여러 가지 화학 조성을 가진 전지가 혼합되게 된다. 배터리는 크기가 작고 대량으로 수집되기 때문에, 수집된 배터리 중에는 반드시 LIB 이외의 배터리가 혼재하게 된다. 과거에 널리 이용되었던 니켈 카드뮴 전지, 망간 전지, 알칼리 전지, 납 전지 등이 몇 %라 하더라도 어느 정도는 LIB 안에 혼재할 수밖에 없다.

 

완전히 LIB만 수집하는 유통 경로를, 현재의 사용 후 전지 수집 경로에서 독립시키게 되면 추가적인 비용이 들어간다. 배터리는 규격 사이즈를 가진 것이라 해도 플라스틱 패키지로 덮여 있는 상태에서는 라벨을 주의 깊이 읽어서 종류를 알아내지 않으면 실제로 어떤 전지가 사용되며, 더 나아가 LIB 중에서 어떤 종류의 전지가 사용되고 있는지 바로 알아보기는 힘들다. LIB 외 종류의 전지가 혼입되는 것을 완전히 방지하려면 LIB 전용 수집 운반 시스템을 구축해야 하는데, 그럼에도 LIB의 세세한 종류까지는 구분할 수 없다.

 

다른 종류의 전지가 혼입되었을 때 가장 큰 문제가 되는 것은 니켈 카드뮴 전지(카드뮴)과 납 전지(납)다. 이 두 가지 중금속은 독성이 매우 강하기 때문에, 재활용 단계 중에서 제거해야만 한다.

 

수집된 폐LIB는 전처리라 불리는 단계를 거친 다음 3가지 재활용 공정으로 보내진다.

 

전처리란 먼저 전지 패키지를 파쇄할 수 있는 상태로 분해하고, 이후 공정 능력에 따라서는 사전에 LIB를 방전시키는 공정이다. 전처리 후에 실제로 LIB를 재활용할 때의 첫 번째 공정은 물리적으로 파쇄ㆍ선별하여 흑색 모래 상태의 물질인 블랙매스(이하 BM)라 불리는 중간재를 만들어내는 공정이다.

 

그런 다음 화학적인 용매/추출 처리를 통해 BM에서 금속 화합물을 만들어 내는 ‘습식 제련’ 공정이 이어지며, 그때에는 주로 황산 코발트, 황산 니켈, 탄산 리튬 등의 금속 화합물을 생성한다. 건식 제련 방법도 존재하지만 주류는 아니다.

 

마지막으로 습식 제련 공정에서 만들어진 금속 화합물을 LIB로 사용할 수 있는 상태까지 순도를 높이는 정제 가공 공정이 있다. 이것은 CAM(Cathode Active Material : 캐소드 활물질) 정제 공정이라고도 불린다.

 

현재 전 세계 LIB 재활용 기업은 대부분 앞의 2가지 공정인 BM 생성과 습식 제련 공정에 투자하고 있다. 이 두 가지 공정에 대한 투자 자금은 처리 능력에 따라 수십억~수백억 엔이 필요한데, 신규 사업을 시작하는 경우 연간 수만 톤 단위의 사용 후 LIB를 처리하지 않으면 투자를 회수하기 어렵다.

 

가령 한 달에 5,000톤의 사용 후 LIB를 처리하는 경우, 많은 노트북이나 모바일 제품에서 이용되고 있는 표준 크기인 18650사이즈(1개당 약 50g)의 LIB 1억 개가 필요하다. 예를 들면, EV 및 축전 장치와 같은 대형 LIB 패키지를 재활용 대상으로 삼지 않는 한 방대한 양의 LIB를 재활용 공장에 집약시켜야만 한다. 그만큼 광범위하게 수집해야 하며, 앞서 말한 것처럼 운반 비용이 증가할 뿐 아니라 납이나 니켈 카드뮴 전지가 혼입될 가능성이 커진다.

 

신흥 습식 제련 LIB 재활용 기업은 생성된 BM에 카드뮴이나 납을 포함한 불순물 성분이 있는 경우 BM을 받아들이지 않거나 BM의 가치(가격)를 낮춰 구입한다. 한편 중국의 재활용 기업이나 구리/코발트 등의 금속 제련 기업은 이미 불순물 제거 공정을 따로 가진 곳이 많으며, 어느 정도의 허용 범위 안에서 불순물이 혼입된 BM을 받아들이는 곳도 있다.

 

하지만 불순물만이 문제인 것은 아니다. 가령 100% 사용 후 LIB만을 수집했다 해도 인산철계 LIB(LFP)와 삼원계(니켈/망간/코발트) LIB의 경우, 재활용 후 얻을 수 있는 금속의 가치가 크게 달라진다. 전자인 LFP에서는 전체 재활용 공정의 비용과 재활용하여 얻어지는 금속의 가치를 비교했을 때, 대부분 재활용 공정의 비용이 더 비싸다. 그러므로 재활용 기업은 사용 후 LFP에는 사용 후 배터리의 배출자에게 처리 요금을 청구해야만 사업을 성립할 수 있다. 한편 삼원계 LIB는 사용이 끝난 것이라도 유료로 구입할 수 있다. 하지만 코발트, 망간, 니켈의 LIB 속에서의 비율이나 해당 금속의 시장 가격에 따라 매입 가격이 달라지기 때문에, 항상 같은 가격으로 매입할 수 있는 건 아니다.

 

사용 후 배터리의 수집 공정에서 LIB의 종류를 모두 나누어 수집하는 시스템은, 현재로서는 전 세계 어디에도 존재하지 않는다. 배터리를 사전에 선별하면 할수록 후공정에서의 처리가 쉬워지지만, 사전 선별 비용이 커지기 때문이다.

 

이처럼 현실적으로 해결하기 어려운 문제가 있기 때문에, LIB 재활용에 대한 투자는 EV에 사용되는 전지팩, 대형 축전 장치, 그리고 LIB 제조 공장(배터리 제조 공장)에서 배출되는 불량재에 초점이 맞춰지고 있다.

 

EV 배터리팩 재활용의 3가지 문제점

 

다음으로 EV 배터리팩 재활용의 문제점을 살펴보자. EV에 사용되는 LIB는 셀의 수, 배터리의 화학 조성, 패키지 구조 등 재활용하는 데 필요한 정보가 모두 명확하기 때문에, 단일 종류 또는 비슷한 종류로 손쉽게 구분할 수 있다. 한 대의 EV에 사용되는 LIB 셀의 수도 많고, 모양과 케이스 등이 일정하기 때문에 재활용 기업에게는 가장 재활용하기 쉬운 LIB 중 하나다.

 

하지만 여기에도 3가지 문제점이 있다.

 

첫번째는 운반 문제

순서를 따라 인증받은 방법으로 EV에서 제거한 사용 후 LIB 패키지라 해도 현재로서는 운반 시 몇 층으로 쌓아서 트럭을 통해 운송할 수는 없다. 많은 국가에서는 안전상의 규제를 통해 전기가 흐르지 않는 LIB 패키지라도 개별적으로 구분된 케이스에 수납하여 운반하도록 되어 있다. 게다가 LIB 전용 케이스나 LIB 운반에 특화된 트럭이 아직 보급되지 않았으며, 장거리 이동의 경우 운반비용이 커진다. 이것은 이미 유럽에서도 문제시되고 있다. 캐나다의 대형 LIB 재활용 기업은 허브&스포크라는 시스템을 구축함으로써 여러 개의 BM 제조 거점을 가지고, 그 후에 여러 군데의 습식 제련 공장에 집약시키는 방법을 꾀하고 있지만, 이것도 초기 비용이 많이 들기 때문에 거액의 자금이 필요하다. 상장한 동사의 재무제표는 현재 적자가 이어지고 있음을 보여준다.

 

두 번째는 전처리 능력 문제

전처리 공정에서는 미리 규정된 안전한 방법으로 LIB 패키지를 해체하고, 몇몇 또는 수십 개의 셀이 겹쳐진 ‘모듈’이라 불리는 소형 팩까지 분해해야 한다. EV의 LIB 패키지를 모듈로 분해하는 데에는, 크기와 구조에 따라 다르긴 해도 한 명이 작업할 때 약 30분에서 한 시간 정도가 걸린다. 하루에 EV 50대 이상의 LIB 패키지를 모듈로 분해하는 경우, 안전한 보관 장소 확보, 작업자의 인건비 등 많은 비용이 발생한다.

 

세 번째 문제는 LIB의 화학 조성 변화

2022년까지 EV용 LIB로는 NMC622(캐소드 재료인 니켈 60%, 망간 20%, 코발트 20%) 및 MNC811(망간 80%, 니켈 10%, 코발트 10%)을 주로 생산했다. 유럽과 미국에서는 지금도 이러한 경향을 보이고 있다.

하지만 전 세계 배터리셀 생산 능력의 약 77%를 차지하고 있는 중국에서는 이미 EV용 양산 배터리로서 앞서 언급한 LFP의 생산 규모가 빠르게 확대되고 있으며, 레어어스에 의존하지 않는 에너지 밀도가 높은 LMFP(인산 망간 철 리튬이온 전지)나 리튬을 사용하지 않는 나트륨이온 전지(NIB)를 양산하려는 계획이 발표되고 있다.

또한 자동차 대기업 스텔란티스가 미국 캘리포니아주의 Lyten, Inc.와 기술 제휴를 맺고 니켈, 코발트, 망간에 의존하지 않는 EV용 리튬 유황 배터리에 투자하겠다고 발표하는 등, 5년 후에는 EV 배터리의 화학 조성이 크게 발전할 가능성이 있다. 이 분야의 기술은 일취월장하고 있다.

역사적으로 볼 때 모든 배터리는 그 용도에 맞는 가장 좋은 것이 개발되어 왔다. LIB는 원래는 모바일 기기용 배터리로 개발되었기 때문에, 자동차용으로 전환되고 있는 지금은 EV 시대의 과도기라 할 수 있는 한때에 불과할지도 모른다.

 

빠르게 변화하는 배터리의 화학 조성과 미래에 대응해야 하는 재활용 기업

 

이러한 낮은 가격의 금속을 이용하는 배터리가 등장함에 따라 재활용 사업 계획 자체가 변화될 가능성이 있다. 습식 제련에서 이용하는 화학약품도 바뀌게 되며, 재활용 요금을 지불하지 않으면 배터리의 재활용 비용을 충당할 수 없게 된다.

현재 특히 북미의 LIB 재활용 기업은 특별 목적 회사를 매수하는 방법으로 상장하고 많은 자금을 시장으로부터 조달했는데, 그 가장 큰 이유는 EV가 보급됨에 따라 리튬, 코발트, 망간 등의 금속의 공급이 부족해질 것임을 전제로 하기 때문이다.

유럽과 미국 자본을 가진 LIB 제조 기업은 중국에 비해 FLP, LMFP, NIB 등의 새로운 화학 조성을 가진 배터리 기술을 개발하는 일에서 뒤처지고 있다. 유럽과 미국은 원재료 조달에 의한 EV 지원금 규제로 인해 보호 무역적인 정책을 추진하는데, 이들은 유럽과 미국에서만 이용할 수 있다.

인구가 많고 경제가 발전하고 있는 인도, 남미, 중동, 아프리카, 동남아시아에서는 중국 기업이 저렴한 EV차를 보급시키려 하고 있으며, 자동차 업계 자체의 구도마저 바뀌게 될 가능성이 있다.

LIB 기가 공장에서 발생하는 불량재를 재활용하는 것은 LIB 재활용 기업에 있어 가장 효율적인 투입 재료라 할 수 있다. 금속 및 화학적인 조성이 안정적이 되고, 투입량도 어느 정도 확보할 수 있기 때문이다. 하지만 현실적으로는, 특히 유럽 자본의 LIB 재활용 기업은 벽에 부딪힌 상태다.

 

유럽에서는 세계에서 가장 그린한 LIB의 생산과 재활용을 표방하는 스웨덴의 신흥 LIB 기업이 3년 전에 수조 원 규모의 자금을 모아 야심적인 계획을 발표했지만, 아직도 1셀도 양산차에 탑재하지 못하고 있다. 그 후 계획도 발표되고는 있지만, 구체적으로 진행되지 않고 있다. 또한 잉글랜드 북부에서 계획되었던 영국 자본의 LIB 기가 공장 계획도 2023년 초에 좌초되어 기업이 도산했다. 현재는 EV용이 아니라 축전용 LIB를 생산하는 쪽으로 계획을 바꾸어, 호주의 에너지 기업이 뒤를 잇고 있다.

 

또한 이탈리아나 스페인에서 계획되고 있는 LIB 공장도 계획이 크게 늦어지고 있다. 프랑스의 토탈 에너지, 자동차 대기업 스텔란티스와 벤츠가 출자하는 LIB 공장은 프랑스 북부에서 준공식을 마쳤으며, 2025년 이후에 양산할 계획이다. 현재 EV용 LIB를 유럽 역내에서 생산하고 있는 것은 폴란드, 헝가리, 슬로바키아, 영국에 있는 중국, 한국 자본의 LIB 기업 공장뿐이다. 그들은 각국의 재활용 기업 및 관련 기업과 깊게 연관되어 있으며, 유럽, 중국 자본의 LIB 재활용 기업의 의도대로는 되지 않고 있다.

 

마지막으로 가장 큰 문제는 중국의 LIB 재활용의 잉여 능력 문제다.

 

2021년부터 코발트와 리튬의 가격이 급격하게 상승함에 따라 중국에서는 BM의 습식 제련 공정에 대한 투자가 가속화되었다. 그 영향 때문에 2021년 말부터 중국 기업이 전 세계에서 BM을 구입하기 시작했다. 중국계 기업은 세계적으로도 이른 시기에, BM 내 리튬의 평가를 가격에 반영했다. 재활용재인 탄산 리튬과 수산화 리튬의 2차 제품 시장이 형성되어 평가가 가능해졌기 때문이다.

유럽과 미국에서는 아직 그러한 시장이 존재하지 않으며, 많은 BM 제련 공장은 니켈과 코발트의 평가를 중심으로 하고 있다. 정확한 데이터는 존재하지 않지만, 현재 중국에서는 연간 약 100만 톤에 가까운 BM을 처리할 수 있는 설비 능력을 가지고 있거나 진행 중인 것으로 추측된다.

 

중국의 영향은 그뿐만이 아니다. 인플레이션 절감법 및 유럽의 중요한 원재료법, 탄소 국경 조정 메커니즘에 대응하기 위해, 유럽/미국과 FTA를 체결했으며 망간 등의 광물 자원이 풍부한 아프리카의 모로코에 중국의 배터리 관련 기업이 진출하려는 움직임이 두드러지게 되었다. 세계 최대의 LIB 음극재 기업인 중국 BTR New Materials Group(BTR 신소재 그룹)은 2023년 4월에 12억 달러를 투자하여 모로코에 대형 배터리 부재 제조 공장을 건설할 것이라고 발표했다.

이 공장의 제품은 인플레이션 절감법으로 인해 EV 지원금을 위해 보호적인 정책을 취하고 있는 미국의 테슬라를 대상으로 하는 것까지 포함한다. BTR은 LIB 재활용 공장도 설치할 계획이다.

또한 중국의 대형 LIB 기업인 Gotion High-Tech는 2023년 5월에 최대 100GWh의 초거대 배터리 공장을 모로코에 건설할 것이라고 발표했다. 이 공장에서는 EV용과 에너지 저장 시스템용 배터리를 모두 제조할 예정이다. 모로코는 EU와도 FTA를 맺었으며, 포르투갈과 가깝다는 입지 조건 덕분에 EU 탄소 국경 조정 메커니즘에도 대응할 수 있다.

 

이처럼 다양한 이유로 인해 중국계 LIB 재활용 기업이 가진 BM 구입에서의 가격 경쟁력과 습식 제련 능력은 다른 시장과는 비교할 수 없을 정도로 강력하다. 또한 모로코는 유럽/미국을 대상으로 하는 중국의 배터리와 배터리 재활용 허브로서 존재감을 높이고 있으며, 특히 유럽의 신흥 LIB 재활용 기업은 틀림없이 큰 영향을 받게 된다.