에너지
리튬 이온 딜레마 해결: 전기화가 가속화되는 세상에서 고장난 배터리 셀 폐기
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화석 연료를 태우면 환경에 영향을 미친다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 탄소뿐만 아니라 수소, 질소, 황도 포함하고 있습니다. 연소될 때 화석 연료는 일산화탄소, 이산화탄소, 물과 함께 질소산화물 및 황산화물을 방출합니다. 이러한 물질은 특히 고농도에서 독성이 강해 건강과 안전에 심각한 위협을 가합니다. 특히 이산화탄소 배출은 지구 온난화의 주요 원인으로, 화석 연료 연소가 환경에 미치는 영향을 강조합니다.
화석 연료에서 벗어나야 할 필요성은 배터리에 대한 수요를 기하급수적으로 증가시켰습니다. 이러한 추세를 반영하여 연구자들은 전 세계 배터리 시장 규모가 2021년 1,120억 달러에서 2030년 4,240억 달러로 성장할 것으로 예상합니다. 이 시장은 리튬 이온, 아연-망간 이산화물, 납산, 니켈-수소금속, 니켈-카드뮴, 나트륨-황, 니켈-아연, 소형 밀폐 납산, 흐름 배터리 등 여러 배터리 종류를 포함합니다.
하지만 리튬 이온 배터리와 납산 배터리가 이 배터리 시장의 대부분을 차지하고 있어 다른 카테고리는 꼬리 부분에 머물게 됩니다.
2023년 4,240억 달러 규모의 시장을 살펴보면, 전체 배터리 시장의 60% 이상에 해당하는 2,570억 달러 이상이 리튬 이온 배터리가 차지합니다. 1,210억 달러 이상, 시장의 27%가 납산 배터리가 차지합니다. 이 두 카테고리가 합쳐서 시장의 87% 이상을 차지하며, 나머지 카테고리들은 약 13%만을 놓고 경쟁하게 됩니다.
이 배터리들은 어디에 배치되고 있나요?
리튬 이온 배터리는 휴대폰과 노트북을 포함한 대부분의 휴대용 소비자 전자 제품에 일반적으로 사용됩니다. 또한 대부분의 순수 전기차와 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)의 주요 선택지이며, 이들 차량은 매우 빠른 속도로 시장에서 입지를 확대하고 있습니다.
반면 납산 배터리는 리튬 이온 배터리만큼 효율적이지 않습니다. 비특정 에너지가 낮고 저온에서 성능이 떨어지며 수명이 짧습니다. 널리 사용되는 주된 이유는 저렴한 비용 때문입니다. 그러나 최근에는 상업용 전기 구동 차량의 보조 부하에 사용하기 위한 고급 납산 배터리 개발이 진행되고 있습니다.
니켈-수소금속 배터리는 컴퓨터와 의료 장비에 사용되며 하이브리드 전기차에서도 중요한 역할을 합니다. 전자 제품 사용이 꾸준히 증가하고 전기차의 시장 점유율이 지속적으로 상승함에 따라 배터리 사용량도 반드시 증가할 것입니다.
하지만 이러한 배터리들은 수명이 제한되어 결국 폐기해야 합니다. 전기화가 가속화되는 세상에서 고장난 배터리 셀의 폐기는 큰 과제가 됩니다. 해결책은 존재하지만, 더 자세히 살펴보기 전에 근본 원인을 깊이 검토하는 것이 중요합니다.
배터리 수명: 간략한 개요
배터리는 용량, 사용 장소, 구성 재료에 따라 차이가 있을 수 있습니다. 각 요소는 배터리 수명에 영향을 미칩니다. 가장 인기 있는 배터리 종류는 리튬 이온이며, 전기차는 이러한 배터리를 대규모로 활용하는 주요 사용 분야입니다.
전기차에 사용되는 배터리는 우리 휴대폰과 노트북에 사용되는 배터리와 유사합니다. 이들은 다른 전기 에너지 저장 시스템에 비해 단위 질량·부피당 높은 에너지, 높은 파워‑대‑무게 비율, 높은 에너지 효율, 고온에서도 효율적인 성능, 긴 수명 및 낮은 자체 방전율 등 다양한 장점을 가지고 있습니다.
전기차 배터리는 2,000개가 넘는 개별 리튬 이온 셀을 결합한 팩을 활용합니다. 각 배터리 팩은 100,000~200,000마일 사이의 주행 거리 동안 충·방전 능력을 유지하도록 설계되었습니다. 연식으로 환산하면 대부분의 전기차 배터리는 차내에서 15~20년의 수명을 가집니다.
고장난 배터리 셀 폐기의 위험성
미국 환경보호청(United States Environmental Protection Agency)에 따르면 대부분의 리튬 이온 배터리는 자원 보존 및 회수법(RCRA) 하에 위험 폐기물로 분류됩니다. 폐기되면 이 배터리는 종종 인화성 및 반응성을 띠며, 사용자가 완전히 방전되고 폐기 가능한 것으로 보이더라도 리튬 이온 배터리는 여전히 상당한 전하를 유지하고 있어 위험을 초래합니다.
또한 손상되었거나 완전히 밀봉되지 않은 리튬 배터리는 폐기 과정에서 물과 접촉하면 매우 위험할 수 있습니다. 리튬 이온 배터리에는 제거하기 어렵고 환경에 해로운 금속 함량이 크게 포함되어 있어 우려를 가중시킵니다.
과학적 평가 보고서는 리튬 이온 배터리에 알루미늄, 코발트, 구리의 고농도가 함유되어 있음을 강조했습니다. 추가 연구에 따르면 고장난 리튬 이온 배터리의 위험성은 납 함량(평균 6.29 mg/L; σ = 11.1; 기준 5) 때문에 더욱 부각됩니다.
캘리포니아 규정에 따르면 코발트(평균 163,544 mg/kg; σ = 62,897; 기준 8,000), 구리(평균 98,694 mg/kg; σ = 28,734; 기준 2,500), 니켈(평균 9,525 mg/kg; σ = 11,438; 기준 2,000)의 과다 함량이 존재할 경우 모든 리튬 배터리는 위험 물질로 분류됩니다.
이 배터리에서 용출된 크롬, 납, 탈륨 농도도 캘리포니아 규제 기준을 초과합니다. 인간과 주변 생태계에 독성을 부여할 뿐만 아니라, 리튬 이온 배터리는 자원 고갈을 초래하여 미래 세대가 직면한 중대한 문제를 야기합니다.
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고장난 배터리 셀을 어떻게 재활용할까?
고장난 배터리 셀 폐기가 초래하는 위험 때문에 재활용이 필요합니다. 그러나 고장난 배터리를 재활용하는 과정 자체도 위험할 수 있습니다. 부적절한 처리 시 단락, 화재 및 유독 가스 방출이 발생할 수 있습니다.
핵심은 효율적인 재활용 방법에 있으며, 이는 오염을 방지할 뿐만 아니라 중요한 자원의 지속 가능한 2차 흐름을 창출할 기회를 제공합니다. 이러한 효율적인 리튬 이온 배터리 재활용 방법 중 하나는 에너지부 오크리지 국립 연구소(Department of Energy’s Oak Ridge National Library)의 연구원들이 고안했습니다.
해결책은 사용된 배터리를 천연 구연산(감귤류에 자연적으로 존재) 용액에 담그는 것을 포함합니다. 구연산 용액은 에틸렌 글리콜에 녹이며, 이 혼합물은 배터리 양극(양전하를 띤 전극)에서 금속을 분리하는 고효율 분리·회수 과정을 촉진합니다.
양극에 대한 효율적인 회수 과정은 배터리 비용을 절감합니다. 양극은 핵심 소재를 포함하고 있어 배터리 비용의 30% 이상을 차지하기 때문입니다. 이 재활용 방법은 시스템을 오염시키지 않으면서 양극에서 거의 모든 코발트와 리튬을 추출할 수 있으며, 몇 시간 안에 코발트의 96% 이상을 회수합니다. 산 농도를 수동으로 맞추기 위해 추가 화학 물질을 투입할 필요도 없습니다.
프로젝트의 주요 연구원인 Lu Yu에 따르면:
“이번이 한 솔루션 시스템이 침출과 회수 두 기능을 모두 포괄한 최초의 사례입니다.”
이러한 실험실 기반 연구 외에도 향후 생산 규모로 확대될 예정이며, 이미 여러 기업이 고장난 리튬 이온 배터리 재활용 작업을 수행하고 있습니다. 다음 섹션에서 몇몇 기업을 살펴보겠습니다.
1. American Battery Technology Company
American Battery Technology (ABAT ) Company는 사용 수명이 거의 다한 배터리에서 핵심 소재를 분리·회수하는 폐쇄형 배터리 재활용 프로세스를 개발했습니다. 그러나 이들의 노력은 분리와 회수에 그치지 않습니다.
이 과정은 배터리 금속을 동일하거나 그보다 높은 품질 사양으로 정제하는 것을 포함합니다. 회사에 따르면, 이 시스템은 여러 경쟁 우위를 갖추고 있습니다. 전략적 설계로 고온 작업이 전혀 없으며 공기 및 액체 오염 물질 배출을 방지합니다. 또한 재활용 시설은 제조 시설과 동일한 처리량을 유지해 폐기물을 최소화하고 설치에 필요한 자본 비용도 낮습니다.
ABAT 가격 차트
2024 회계연도 1분기 재무 보고서에 따르면, 회사는 수익 창출 운영을 위한 주요 이정표를 제시했습니다. 특히, 연간 20,000톤의 명목 처리량을 갖춘 최초의 상업 규모 재활용 시설을 설계·시공·가동을 시작했습니다.
회사는 또한 계약에 따라 두 건의 미국 DOE 보조금을 확보했으며, 최근 추가로 두 건의 보조금(총 7,000만 달러) 자격을 얻었습니다. 2023년 9월 21일 나스닥에 주식을 상장하고 거래를 시작했습니다.
작성 시점에 American Battery Technology Company의 주가는 3.99달러였으며, 시가총액은 1억 8,800만 달러를 넘어섰습니다.
2. Lithion Technologies
Lithion Technologies는 리튬 이온 배터리에서 전략적 소재를 지속 가능하게 생산합니다. 이 기술은 배터리 구성 요소의 95%까지 회수할 수 있습니다.
기계적 추출 단계에서 Lithion은 광물 농축물의 98% 이상을 회수할 수 있습니다. 이후 특허받은 수화학 기술을 통해 핵심 광물 농축물을 처리하여 리튬, 코발트, 니켈, 그래파이트, 망간 등 필수 소재를 회수합니다.
놀랍게도 Lithion은 자사의 기술이 기존 광산 채굴에 비해 환경 영향을 크게 줄인다고 주장합니다. 온실가스 배출량은 채굴 대비 75% 감소했으며, 물 사용량도 무려 90% 절감합니다.
2022년 4월, Lithion은 2,250만 달러의 자금을 퀘벡 정부로부터 지원받았으며, 그 중 1,500만 달러는 Investissement Québec를 통한 회사 자본주식에 대한 지분 투자이고, 750만 달러는 전기화 및 기후 변화 기금(Fonds d’électrification et de changements climatiques)으로부터의 보조금입니다.
3. Ecobat
Ecobat은 65,000개의 수집 지점을 통한 광범위한 네트워크를 운영하여 폐배터리를 관리하고 재활용 에너지 저장 솔루션을 제공합니다. 현재까지 약 15,000명의 회원·고객을 확보했으며 연간 1억 2천만 개의 배터리를 재활용하고 있습니다.
지정된 수집 지점에서 회수를 위해 Ecobat은 자체 100대의 차량을 보유하고 있습니다. 11개의 제련 시설을 통해 리튬 배터리, 납 배터리 및 기타 배터리 화학 물질을 처리합니다. 또한 Ecobat은 80%의 회수된 자원을 배터리 제조에 재투입하는 폐쇄형 순환 회수 프로세스를 갖추고 있으며, 재활용률 99%를 약속합니다.
Ecobat은 세계 최대 규모의 배터리 ‘재활용업체’로서, 배터리 비즈니스를 보다 안전하고 지속 가능하게 만들어 순환 에너지 경제에 필수적인 에너지 저장 수요를 충족한다고 주장합니다. 2021년 Ecobat의 납산 배터리 재활용 사업은 7천만 대의 자동차 배터리를 완전 재활용했습니다.
4. Cirba Solutions
Cirba Solutions는 Battery Solutions, Heritage Battery Recycling, Retriev Technologies 등 세 브랜드를 아우르는 60년 이상의 재활용 경험을 보유하고 있습니다. 자체 배터리 재활용 팀, 배터리 중심 물류, 폐쇄형 수명 주기 및 리튬 처리 시설을 갖춘 리튬 배터리 재활용 분야의 선구자 중 하나입니다.
이 회사는 코발트 기반 및 비코발트 기반 성분을 모두 처리할 수 있는 교차 화학 솔루션을 포함한 특수 재활용 프로세스를 보유하고 있습니다. 현재까지 30년 이상 동안 3,600만 파운드 이상의 리튬 이온을 처리했습니다.
최신 데이터에 따르면, Cirba는 2023년 2월 9일 최신 기업 라운드에서 5,000만 달러를 조달했습니다.
고장난 배터리 셀 폐기: 미래 전망
전기차와 현대 소비자 전자기기를 구동하는 데 필수적인 리튬 이온 배터리는 점점 더 보편화될 것입니다. 통계에 따르면 2022년부터 2030년까지 전 세계 리튬 이온 배터리 수요는 거의 7배 증가하여 2030년에는 4.7 TWh에 이를 것으로 예상됩니다.
생산 측면에서 중국은 전 세계 용량의 3/4 이상을 장악하고 있습니다. 북미와 유럽도 생산을 크게 확대하려는 움직임을 보이고 있어 곧 뒤처지지 않을 것입니다. 따라서 배터리 재활용을 접근 가능하고 지속 가능한 프로세스로 만들기 위해서는 통합되고 잘 조율된 글로벌 노력이 필요하며, 그래야만 오염과 자원 고갈 위험으로부터 세계를 구할 수 있습니다.
예를 들어 중국은 자동차 제조업체에게 차량 배터리의 “수명 종료 처리” 책임을 부여하고 있습니다. 유럽 연합도 뒤처지지 않아 배터리 수집 및 회수에 대한 기준을 마련했습니다.
이러한 배터리의 2차 활용에 대한 혁신이 늘어날수록 비효율적인 재활용으로 인한 위험을 피할 수 있습니다. 한 예를 살펴보면, 암스테르담 요한 크루이프 아레나의 에너지 저장 시스템은 148개의 신규 및 중고 Nissan LEAF 배터리를 활용해 4,200개의 태양광 패널에서 에너지를 수집하고 최대 3메가와트의 전력을 저장합니다. 이 저장량은 백만 대 절반인 50만 대의 아이폰을 비상용으로 충전할 수 있는 양입니다.
결론적으로, 전 세계적인 목표 달성을 위해서는 모든 주체의 적극적인 참여가 필요합니다. 자동차 기업, 소비자 전자 제조업체, 글로벌 경제 기구, 각국 정부 등 모두가 고장난 배터리 셀의 지속 가능하고 효율적인 재활용 및 회수에 목소리를 내야 합니다.
