에너지
사용을 마친 리튬이온전지의 재활용: 2023년 개관
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화석연료의 연소는 환경에 영향을 줍니다. 연료와 연소 조건에 따라 이산화탄소, 물, 일산화탄소, 질소산화물과 황산화물 등이 발생합니다. 여러 오염물질은 건강에 해롭고 이산화탄소 배출은 지구온난화에 기여합니다. 이 글은 2023년을 기준으로 배터리 재활용과 기업 사례를 살펴봅니다.
화석연료에서 벗어나는 전환은 배터리 수요를 늘립니다. 원문이 인용한 과거 전망에서는 전 세계 배터리 시장 규모가 2021년 1,120억 미국 달러에서 2030년 4,240억 달러로 성장할 것으로 예상했습니다. 이는 오래된 전망이며 2023년의 실제 매출이 아닙니다. 리튬이온, 아연-이산화망간, 납축, 니켈수소, 니켈카드뮴, 나트륨황, 니켈아연, 소형 밀폐형 납축전지, 흐름전지 등이 포함됐습니다.
그 전망에서는 리튬이온전지와 납축전지가 가장 큰 비중을 차지하고 나머지를 다른 기술들이 나눴습니다.
2030년 전망치 4,240억 달러 중 약 2,570억 달러는 리튬이온전지, 1,210억 달러는 납축전지에 해당했습니다. 이 반올림된 수치로 계산한 비중은 각각 약 60.6%와 28.5%, 합계 89.2%입니다. 따라서 나머지는 약 10.8%이며 13%가 아닙니다.
배터리는 어디에 사용될까요?
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.
납축전지는 리튬이온전지보다 질량당 에너지가 낮고 추운 환경에서 성능이 저하될 수 있습니다. 그러나 저렴한 가격과 확립된 기술 덕분에 시동, 비상전원, 보조기기 등에 쓰입니다. 수명과 효율은 설계와 사용 조건에 따라 달라집니다.
니켈수소전지는 컴퓨터와 의료기기에 사용돼 왔고 하이브리드 자동차에서도 중요한 역할을 합니다. 전자기기와 전기차의 보급이 늘면서 배터리의 사용과 수명 종료 후 처리 수요도 커집니다.
배터리의 사용 수명에는 한계가 있습니다. 원래 용도에 적합하지 않게 되면 재사용 가능성을 평가하거나 적절한 수거·재활용 체계로 보내야 합니다. 따라서 사용을 마친 배터리 셀의 관리는 전기화와 함께 커지는 과제입니다.
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.
전기차 배터리는 많은 휴대전화·노트북 배터리와 같은 넓은 기술군에 속하지만 구조와 관리 시스템은 다릅니다. 리튬이온전지는 질량·부피 대비 높은 에너지, 좋은 효율, 낮은 자가방전율 등의 장점이 있습니다. 열관리는 중요합니다. 고온이 일반적으로 유리한 것은 아니며 열화를 촉진할 수 있습니다.
전기차 배터리는 설계에 따라 수백 또는 수천 개의 셀로 구성되며 모든 팩이 2,000개를 넘는 것은 아닙니다. National Grid는 2022년 예상 사용 수명을 약 10만~20만 마일, 약 16만~32만 킬로미터, 기간으로는 15~20년 정도로 설명했습니다. 이는 모든 배터리에 대한 보증이 아니라 추정치이며 실제 수명은 화학조성, 온도, 사용 조건 등에 따라 달라집니다.
사용을 마친 배터리 셀의 처리 위험
미국 환경보호청(EPA)은 대부분의 폐리튬이온전지가 RCRA법상 인화성·반응성 유해폐기물의 정의에 해당할 가능성이 있다고 설명합니다. 가정 폐기물에는 법적 예외가 있지만 화재 위험이 사라지는 것은 아닙니다. 방전된 것처럼 보여도 위험한 에너지가 남을 수 있습니다. 일반 쓰레기나 통상적인 재활용 분리수거함이 아니라 적절한 배터리 수거 체계로 보내야 합니다.
손상된 셀은 전해액을 누출하거나 화재·화학물질 위험을 일으킬 수 있습니다. 리튬이온전지는 금속 리튬을 사용하는 전지와 구분해야 합니다. 손상된 배터리는 제조사와 수거업체의 지침에 따라 취급해야 합니다. 재활용은 귀중한 소재를 회수하고 환경부담을 줄이는 역할도 합니다.
2013년 연구에서는 휴대전화 배터리 16개를 표준 용출시험과 위험평가로 조사했습니다. 시료에서 알루미늄, 코발트, 구리 등이 높은 농도로 검출됐습니다. 연구의 리튬이온 시료에서 용출액의 납 함량은 평균 6.29 mg/L, 표준편차 11.1 mg/L로 기준 5 mg/L와 비교됐습니다. 이는 해당 시료의 결과이며 모든 현대 전기차 배터리의 일반적인 납 함량을 뜻하지 않습니다.
같은 연구는 총함량을 캘리포니아 기준과 비교했습니다. 코발트는 평균 163,544 mg/kg(표준편차 62,897; 기준 8,000), 구리는 98,694 mg/kg(28,734; 기준 2,500), 니켈은 9,525 mg/kg(11,438; 기준 2,000)이었습니다. 결과는 조사한 시료에 한정됩니다. 배터리 화학조성은 다양하며 예를 들어 리튬인산철 양극에는 코발트나 니켈이 없습니다.
이 연구는 일부 시료에서 크롬, 납, 탈륨의 용출량이 캘리포니아 기준을 넘었다고도 보고했습니다. 이는 잠재적인 건강·환경 위험을 보여줍니다. 소재 회수는 자원의 손실과 새로운 채굴의 필요성도 줄일 수 있습니다.
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사용을 마친 배터리 셀은 어떻게 재활용할까요?
부적절한 배터리 취급은 단락, 화재, 유독가스 배출을 일으킬 수 있습니다. 따라서 재활용에는 적합한 설비와 통제된 공정이 필요합니다.
효율적인 재활용은 오염을 줄이고 핵심 소재의 2차 공급원을 만들 수 있습니다. 미국 에너지부 산하 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)는 2023년 11월 리튬이온전지를 위한 실험실 재활용 방법을 소개했습니다.
실험실 방법은 에틸렌글리콜에 녹인 구연산으로 사용된 양극재의 금속을 침출·분리합니다. 구연산은 감귤류에도 존재하지만 에틸렌글리콜은 건강에 해롭습니다. 이는 통제된 화학 공정이지 가정에서 배터리 팩 전체를 담그라는 지침이 아닙니다. 여기서 양극은 방전 시 양의 전극입니다.
ORNL은 해당 맥락에서 양극재가 배터리 비용의 30% 이상을 차지할 수 있는 고가 부품이라고 설명했습니다. 실험에서는 새로운 불순물을 넣지 않고 코발트와 리튬을 거의 모두 침출했으며, 이후 코발트의 96% 이상을 몇 시간 안에 회수했습니다. 산도를 수동 조절하기 위한 추가 화학물질은 필요하지 않았습니다. 침출과 회수는 별개의 결과이며 배터리 팩 전체의 상업적 재활용률을 뜻하지 않습니다.
프로젝트의 주요 연구원인 Lu Yu에 따르면:
“하나의 용액 체계가 침출과 회수 기능을 모두 수행한 것은 이번이 처음입니다.”
이런 방법의 산업적 활용에는 추가 개발이 필요합니다. 한편 여러 기업은 2023년에도 폐리튬이온전지 재활용을 추진하고 있었습니다. 다음은 당시의 사례입니다.
1. American Battery Technology Company
American Battery Technology Company (ABAT )는 사용 수명이 끝나가는 배터리에서 핵심 소재를 분리·회수하는 폐쇄형 재활용 공정을 개발했습니다. 회수된 금속의 정제와 재사용도 목표로 합니다.
ABTC는 금속을 배터리급 품질로 정제하는 공정을 설명합니다. 회사에 따르면 고온 제련을 피하고 배출물과 폐기물을 줄이며 자본비용을 낮추는 것이 목표입니다. 이는 기술의 장점에 대한 회사 설명이며 전체 사업의 환경영향이 전혀 없다는 증거는 아닙니다. 처리용량은 확보 가능한 배터리 폐기물에 맞추려 했습니다.
ABAT 가격 차트
ABTC가 2023년 11월 15일 발표한 2024회계연도 1분기 보고서는 2023년 9월 30일 종료 기간에 해당합니다. 첫 상업 규모 재활용 시설의 가동 시작을 설명했으며, 연 2만 톤은 완전 증산 시 명목 처리용량이지 이미 달성한 연간 처리량이 아니었습니다.
당시 ABTC는 기존 두 건과 신규 두 건을 합해 DOE 지원 프로젝트 네 건을 계약했고 연방 지원 계약액은 약 7,000만 미국 달러였습니다. 지원금은 적격 비용을 상환하는 방식이며 무조건적인 일시 지급금이 아니었습니다. 주식의 나스닥 거래는 2023년 9월 21일 시작됐습니다.
2023년 원문은 주가 3.99미국 달러, 시가총액 1억 8,800만 달러 이상을 제시했습니다. 이는 역사적 수치이며 가격 모듈에는 이후의 정보가 표시될 수 있습니다.
2. Lithion Technologies
Lithion Technologies는 리튬이온전지에서 전략 소재를 회수하며, 당시 회사는 구성요소의 최대 95%를 회수할 수 있다고 밝혔습니다.
Lithion은 핵심 소재 농축물의 기계적 생산과 습식제련을 결합합니다. 회사의 공정 설명에는 광물 농축물 회수율 98% 이상이 제시됐습니다. 단계와 소재별 수율은 서로 다릅니다. 대상 소재에는 리튬, 코발트, 니켈, 흑연, 망간이 포함되며 모두 같은 최종 제품이 되는 것은 아닙니다.
Lithion은 2022년 GM과의 협력 발표에서 퀘벡의 전력원을 사용하는 수명주기평가에 따르면 배터리 소재 채굴 대비 온실가스 배출이 75% 이상, 물 사용이 90% 이상 줄어든다고 밝혔습니다. 이는 해당 공정과 비교 조건에 관한 회사 수치이며 모든 재활용에 대한 보증은 아닙니다.
2022년 4월, Lithion은 2,250만 캐나다 달러를 퀘벡 정부로부터 지원받았습니다. 1,500만 캐나다 달러는 Investissement Québec를 통한 지분투자이고, 750만 캐나다 달러는 Fonds d’électrification et de changements climatiques의 보조금이었습니다.
3. Ecobat
원문은 Ecobat의 역사적 네트워크를 수거지점 6만 5,000개, 고객·회원 약 1만 5,000곳, 연간 배터리 재활용 1억 2,000만 개로 설명했습니다. 이는 주로 납축전지를 포함한 전체 사업에 관한 수치이며 리튬이온전지만의 실적이나 검증된 현재 수치가 아닙니다.
원문에는 수거차량 100대와 제련소 11곳도 언급됐습니다. 역사적 수치이며 모든 시설이 리튬이온전지를 처리했다는 뜻은 아닙니다. 약 99%의 재활용 가능성은 납축전지 소재에 관한 것이었습니다. Ecobat은 회수한 납의 80% 이상이 배터리 제조로 돌아간다고 설명했으며, 이는 리튬이온전지의 일반적 회수율이 아닙니다.
Ecobat은 자신을 주요 글로벌 배터리 재활용 기업으로 설명했습니다. 회사에 따르면 2021년 납축전지 사업은 자동차 배터리 7,000만 개를 재활용했습니다.
4. Cirba Solutions
Cirba Solutions는 Battery Solutions, Heritage Battery Recycling, Retriev Technologies를 아우르며 합산 약 60년의 경험을 설명했습니다. 사업에는 수거, 물류, 소재 회수와 리튬전지 처리가 포함됐습니다.
회사는 코발트 함유 및 비함유 전지 등 여러 화학조성을 처리합니다. 원문은 30년 이상에 걸쳐 3,600만 파운드, 약 1,630만 킬로그램 이상의 리튬이온전지를 누적 처리했다고 설명했습니다. 역사적 누계이며 연간 처리량이나 검증된 현재 총량이 아닙니다.
2023년 2월 9일 Marubeni는 Cirba에 5,000만 미국 달러의 소수지분 투자를 완료했습니다. 이는 특정한 2023년 투자이며 반드시 가장 최근의 자금조달을 뜻하지는 않습니다.
사용을 마친 배터리 셀: 앞으로의 과제
전기차와 전자기기의 보급이 늘면서 재활용 수요도 증가합니다. 원문에 인용된 과거 전망은 2022~2030년 리튬이온전지 수요가 거의 7배가 돼 2030년 4.7 TWh에 이를 것으로 예상했습니다. 이는 전망치이며 이미 관측된 수요가 아닙니다.
원문은 당시 중국이 세계 제조용량의 4분의 3 이상을 보유하고 북미와 유럽도 증설을 계획한다고 설명했습니다. 이는 역사적 시장 상황입니다. 재활용의 접근성과 지속가능성을 높이고 오염과 자원 손실을 줄이려면 협력이 필요합니다.
2023년 중국에는 사용을 마친 차량 구동용 배터리에 관한 제조사 책임 규정이 있었습니다. EU에도 수거와 소재 회수 요건이 있었습니다. 적용 의무는 지역과 시기에 따라 달라집니다.
적합한 배터리를 재사용하면 소재 재활용 전에 새로운 용도로 쓸 수 있습니다. 2018년 가동된 암스테르담 요한 크라위프 아레나의 저장장치는 148개의 신품·중고 Nissan LEAF 배터리에 해당하는 용량과 태양광 패널 4,200개를 결합합니다. 출력은 3메가와트, 에너지 저장용량은 2.8메가와트시입니다. 메가와트는 저장된 에너지의 단위가 아닙니다. 아이폰 약 50만 대 충전이라는 비유는 휴대전화의 배터리 용량에 따라 달라지며 특정 비상전원 지속시간을 보장하지 않습니다.
지속가능한 배터리 수명 종료 관리는 자동차·전자기기 제조사, 재활용업체, 공공 부문의 협력이 필요합니다. 수거, 재사용 가능성 평가, 효율적인 소재 회수는 같은 순환체계의 서로 다른 단계입니다.
