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자동차/로봇 전기자동차용 리튬이온전지의 재이용

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-03-15 16:03:00
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현재의 전기자동차에 꼭 필요한 리튬이온 전지에는 코발트 등의 광물이 사용되며, 채굴 등의 과정에서 다양한 문제를 안고 있다. 지속 가능한 전지 산업을 구축하려면, 재이용을 도입하는 순환 시스템이 필요하다. 사태를 우려하는 미국의 과학자 동맹(Union of Concerned Scientists)의 웹사이트에 전지 사이클의 현재 상황과 전망에 관한 기사가 게재되었다. 번역하면 다음과 같다.

 

리튬이온 전지 재이용 시스템의 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 수밖에 없다. 전문가는 2030년까지 연간 50만 대의 차량, 또는 200만 톤의 배터리가 그 역할을 다할 것이라 예측한다.

 

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.

 

<그림> 리튬이온 전지의 구조. 양극(CATHODE)의 재료로 코발트나 니켈 등의 레어메탈이 사용되는 경우가 많다.

 

리튬이온 배터리를 재이용하는 확립된 방법들이 다양하게 존재하지만, 동시에 기술, 경제, 물류, 규제 등의 분야에서는 해결해야 하는 과제들을 안고 있다. Union of Concerned Scientists의 Hitz 환경 부문 멤버로서, 이러한 배터리의 재이용에 관한 과제와 기회에 대해 살펴보고자 한다. 이 기사는 배터리 재이용의 현재 상황을 대략적으로 살펴본 것으로서, 배터리용 원료의 순환 구조를 만들고 리튬이온 전지의 지속 가능한 가격 연쇄를 구축하는 부분에 초점을 맞추고 있다.

 

배터리의 수명은?

 

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 현대의 EV는 시장에 투입된 지 8년이 되지 않았으며, 그 중 절반 이상은 과거 2년간 판매되었다.

 

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.

 

<그림> 캘리포니아대학교 데이비스 캠퍼스에 있는 재활용 EV 배터리 축전 프로젝트

 

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.

 

순환 사이클 구축

 

배터리가 재이용되는가에 관계없이, 결국은 사이클과 원료 회수는 필요하다. 리튬이온 배터리의 원료를 회수함으로써 새로운 원료에 대한 수요와 배터리의 라이프사이클로 인한 (환경에 미치는) 영향이 줄어들고, 수입을 줄임으로써 에너지의 안전을 보장할 수 있다. 대부분의 재이용에 관한 연구 및 관심은, 구성물 중에서 가장 가치가 있는 광물을 포함하고 있는 배터리의 양극에 집중된다.

 

일반적으로 배터리의 재이용에는 3가지 단계가 있다. 첫 번째는 하처리인데, 기계적으로 분해하여 플라스틱 파편과 철을 포함하지 않는 원료를 분류하는 것이 주요 과정이다. 다음으로, 화학 용제를 사용하여 알루미늄 콜렉트 호일로부터 양극을 분리한다. 마지막으로, 침출용 수용액을 사용하는데(습식제련), 열과 전해 반응을 이용하여(건식제련) 양극 원료를 분해한다.

 

배터리를 구성하는 부품으로 빠르게 분해할 수 있게 되면, 하처리가 더욱 효율적이고 경제적이 되기 때문에, 자동화가 중요한 역할을 하게 된다. 배터리의 구성 부품을 분류하게 되면, 순도와 가치가 더욱 높은 원료를 회수할 수 있다. 영국의 연구자들은 리튬이온 배터리의 로봇에 의한 분류, 분해, 귀중한 자원의 회수 프로세스를 개발하고 있으며, 이것은 작업자의 전기 및 화학 손해의 리스크를 없애준다.

 

양극 재료를 회수하기 위한 건식제련 프로세스는 일부 습식제련법보다 환경에 더 큰 악영향을 미친다. 따라서 대량의 에너지가 요구되며, 동시에 배출 가스의 유독 오염 물질을 제거해야 한다. 어떤 식으로든 제련 방식을 통해 회수된 광물은 새로운 전극의 양극 화합물과 합성하기 전에, 종종 다시 한 번 제련할 필요성이 생긴다.

 

다이렉트 리사이클법에서는, 양극의 원료를 원래의 화합물과 동일하거나 비슷한 성질을 가진 것을 사용하여, 화합물은 분해하지 않고 사용할 수 있는 상태로 돌려놓는다. 배터리 중에서 가장 높은 구성물 중 하나는 합성 양극 물질이다. 다이렉트 리사이클은 화합물을 그대로 분리하고 추가적인 리튬과 재결합시키는(relithiation) 방법을 모색한다. 또한 이 방법은 대량의 에너지를 필요로 하는 양극 화합물의 정제와 재합성 과정을 없애, 배터리 생산으로 인한 환경 오염을 감소할 수 있다.

 

 

[국내외 2차전지 및 전기자동차 시장 분석과 비즈니스 전략] 보고서 상세 보기

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