녹색 에너지 혁명: 산업 폐기물로 구동되는 차세대 배터리

전 세계적으로 청소년과 성인 모두의 환경 문제에 대한 인식이 높아지고 있습니다. 기후 변화 위협과 지구에 미치는 부정적인 영향을 마주하면서, 점점 더 많은 사람들이 자신의 행동이 환경에 미치는 영향을 고민하고 지구를 구하는 움직임에 참여하고 있습니다.

PwC의 2021년 글로벌 소비자 인사이트 펄스 설문조사는 전 세계 응답자 중 절반이 보다 친환경적으로 변했다고 밝혔으며, 2023년 설문조사는 보여줍니다 10명 중 8명이 지속 가능한 제품에 대해 최대 5%까지 추가 비용을 지불할 의향이 있음을 나타냅니다.

2019년 설문조사 결과와 비교하면, 35%가 지속 가능한 제품을 선택했고, 37%가 친환경 포장을 찾았으며, 41%가 가능할 때 플라스틱 사용을 피한다고 답했지만, 2021년 설문조사 결과는 동일 항목에 대해 10~20포인트 높은 비율을 보였습니다.

지속 가능한 생활 방식은 전 세계 소비자들에게 점점 더 중요해지고 있으며, 이들은 기업과 브랜드가 더욱 지속 가능하고 친환경적이기를 원합니다.

이러한 행동 변화는 긍정적인데, 전 세계적으로 매년 약 20억 톤의 산업 폐기물이 발생하기 때문입니다. 산업 폐기물은 전체 폐기의 약 절반을 차지하지만, 실제로 재활용되는 비율은 전체의 약 2%에 불과합니다.

산업 폐기물의 주요 원인은 금속 가공, 화학 제조, 식품 가공, 제약 제조, 석유 및 가스 추출 등 다양한 공정에서 발생하는 부산물입니다. 폐기물을 적절히 관리하지 않으면 환경에 부정적인 영향을 미치는 추가 산업 폐기물이 발생할 수 있습니다.

그러나 소비자들의 인식이 높아지고, 더 많은 국가가 효과적인 폐기물 처리에 집중하며 산업 폐기물 관리 솔루션에 대한 수요가 급증함에 따라, 전 세계 산업 폐기물 관리 시장은 $1.79 billion by 2032까지 성장할 것으로 예상됩니다. 새로운 기술의 등장과 폐기물 종류가 더욱 복잡해지는 것이 이 성장에 기여하고 있습니다.

미국에서는 산업 폐기물 관리 시장이 더욱 성장할 것으로 예상되며, 이 기간 동안 약 $323.81 billion의 가치에 이를 것으로 전망됩니다.

폐기물 관리 외에도 연구자와 기업들은 업사이클링, 제품 재설계, 생분해성 대체재, 순환 경제 모델, 미생물 솔루션, 혁신적인 재활용 기술 등 다양한 폐기물 처리 방안을 모색하고 있습니다.

폐기물을 보물로 바꾸는 것이 최근 연구자들의 주요 과제였습니다. 우리는 최근 코넬 연구팀이 전자 폐기물에서 금을 추출한 방법을 공유했으며, 이를 촉매로 사용해 CO2를 유기 물질로 전환했습니다.

새로운 연구에서는 산업 폐기물로 친환경 배터리를 개발하고 있으며, 이는 휴대폰 및 자동차와 같은 기기에 사용되는 기존 배터리에 대한 대안을 제시합니다.

현재 사용되는 배터리는 리튬과 코발트와 같은 금속에 의존하고 있으며, 이들 금속은 침습적이고 집중적인 채굴을 통해 추출됩니다.

전기차의 급증하는 채택과 전자 자전거, 소비자 전자제품, 에너지 저장, 전동 공구 및 기타 배터리 집약적 응용 분야에 대한 수요 증가가 금속 기반 솔루션에서 벗어나 녹색 에너지 전환을 촉진하도록 요구합니다.

산업 폐기물을 활용한 에너지 저장

재생 가능하고 본질적으로 간헐적인 에너지 자원에 대한 의존도가 증가함에 따라, Northwestern 연구팀은 전력망의 수요를 충족시키기 위해 에너지 저장 용량 확대를 주장하고 있으며, 이를 위해 산업 규모의 유기 폐기물을 효율적인 저장 솔루션으로 전환하여 지속 가능한 에너지를 제공하고 있습니다.

연구의 초점은 연구의 초점은 유연성, 확장성 및 장기간 사이클 능력으로 주목받는 충전식 배터리인 레독스 플로우 배터리(RFB)에 맞춰졌습니다.

레독스 플로우 배터리 시장은 현재 배터리 시장의 작은 부분을 차지하고 있지만, 2024년 3억 달러 이하에서 2033년에는 10억 달러를 훨씬 초과할 것으로 예상됩니다. 이 확대는 재생 에너지로의 전환 증가, 신뢰할 수 있는 대규모 에너지 저장 솔루션의 필요성, 정부의 우호적인 정책, 배터리 효율성을 향상하고 비용을 낮추는 지속적인 기술 발전에 의해 촉진됩니다.

RFB의 발전으로 대규모 에너지 저장에 실용적인 옵션이 되었지만, 에너지 밀도가 낮은 편입니다.

최근 몇 년 동안 레독스 활성 유기 분자(ROM)의 안정성을 높이는 데 진전이 있었으며, 이는 대규모 에너지 저장을 위한 지속 가능한 RFB 구축에 유망한 후보로 여겨집니다. 그러나 평가 중인 대부분의 ROM은 다단계 합성이 필요하고, 시작 물질의 제한된 가용성으로 적용에 제약이 있습니다.

또한 양극액(anolytes)의 안정성이 부족한 경우가 많다는 사실도 있습니다. 양극액은 RFB에서 전기화학 반응을 통해 전력을 생산하고 에너지를 저장하는 데 사용됩니다. 사용되는 양극액의 종류는 용량, 가역성 및 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 Northwestern 연구팀은 산업 폐기물에서 유래한 유기 화합물을 Nonaqueous RFB(NARFB) 적용을 위한 ROM으로 활용했습니다. 이러한 배터리의 여러 변형이 전력망 규모 적용을 위해 연구되고 있지만, 폐기물 유기 물질을 활용한 사례는 이 분야에서 최초입니다.

폐기물 분자는 트리페닐포스핀 옥사이드(TPPO)로, 매년 수천 톤이 다양한 유기 산업 합성 공정을 통해 생성되는 잘 알려진 산업 폐기물 부산물입니다. 화학적으로 안정하고 활용도가 제한된 이 부산물은 무용지물로 남아 신중히 처리되어야 합니다.

가치가 없는 활용되지 않은 부제품은 전구체인 트리페닐포스핀(TPP)이 보여주는 뛰어난 반응성 때문에서만 허용됩니다.

Northwestern, DOE 기본 에너지 과학 사무국, 그리고 국립 과학 재단 대학원 연구 장학금의 지원을 받아 연구팀은 ‘원팟’ 반응을 통해 이 폐기물을 가치 있는 제품으로 전환하는 데 성공했습니다. 이 결과물은 에너지 저장 방식으로 큰 가능성을 보여주며, 실현 가능한 폐기물 유래 유기 레독스 플로우 배터리의 길을 열어줍니다.

“우리의 발견은 폐기물 화합물을 가치 있는 자원으로 전환하는 잠재력을 보여주며, 배터리 기술 혁신을 위한 지속 가능한 경로를 제시합니다.”

– 수석 저자 Christian Malapit, Northwestern 화학자이자 Weinberg College of Arts and Sciences 화학과 조교수

그는 엔지니어와 재료 과학자가 배터리 연구를 주도하고 있지만, 그들의 연구가 보여주듯 합성 화학자도 ‘유기 폐기물을 에너지 저장 분자로 분자 수준에서 설계함으로써 분야에 기여할 수 있다’고 강조했습니다.

전통적인 리튬 배터리나 고체 전해질 배터리만큼 인기가 없지만, 전해질에 에너지를 저장하는 화학 반응을 이용해 전해질 사이의 에너지 흐름을 촉진하는 레독스 플로우 배터리는 큰 에너지를 저장합니다.

최근 발견으로 인해 레독스 플로우 배터리는 유기 분자를 활용하고 높은 안정성과 고에너지 밀도를 달성할 수 있어 금속 기반 경쟁 제품에 점점 근접하게 되었습니다.

Malapit 연구실의 박사과정 학생 Emily Mahoney(첫 번째 저자)에 따르면, 이 두 가지 파라미터는 ‘전통적으로 함께 최적화하기 어려웠다’고 하는데, 이제 폐기물 기반 분자에 대해 이를 입증했으니 ‘흥미롭다’고 말합니다.

하지만 에너지 밀도와 안정성을 동시에 달성하려면 전자가 시간이 지나도 저장 용량을 잃지 않도록 밀집시킬 방법이 필요합니다. 연구팀은 반세기 전의 논문에서 인산 옥사이드의 전기화학을 설명한 내용을 전략으로 채택했습니다.

이 연구는 실제로 인산 옥사이드를 배터리 연구에서 레독스 활성 성분으로 사용한 ‘첫 사례’였습니다.

감소된 인산 옥사이드는 전통적으로 매우 불안정했지만, 최신 연구의 분자 공학 접근법이 이 불안정을 해결하여 ‘에너지 저장에의 적용 길을 열었습니다.’

이제 분자의 성능을 평가하기 위해 연구팀은 정적 전기화학 충·방전 실험을 수행했습니다. 배터리 충전·사용·재충전을 350 사이클 진행한 후, 배터리는 놀라운 상태를 유지했으며 시간이 지나도 거의 용량 감소가 없음을 확인했습니다.

350 사이클 동안 용량 감소가 없었던 이 연구는 ‘이 분자가 뛰어난 성능뿐 아니라 자원 지속 가능성 덕분에 분야를 선도할 것’이라고 결론짓습니다.

레독스 플로우 배터리와 관련하여, 산업 화학 폐기물인 트리페닐포스핀 옥사이드를 에너지 저장에 활용하는 것 외에도, 혁신적인 막 설계, 전해질 물질로서의 DMQA, 그리고 TEMPO 양극재의 Hirshfeld 전하 조정 등도 RFB 발전에 기여하고 있습니다.

다른 산업 폐기물이 배터리 기술에 전력을 공급

이 중요한 돌파구에도 불구하고, 이 연구만이 일반적인 산업 비재활용 폐기물을 유용한 제품으로 활용한 것은 아닙니다. 수년에 걸쳐 여러 연구가 폐기물을 활용해 배터리 기술을 향상시켰습니다.

이에는 철강 제조의 부산물인 강슬래그를 사용하여 에너지 저장 재료로 탐구한 사례가 포함됩니다. 한 연구에서는 연구원들이 강슬래그 파우더(SSP)와 유리 파우더(GP)를 이용해 녹색 구조 슈퍼커패시터 셀(SSCs)을 만들었으며, 이는 강도와 면적 용량의 다기능성을 보여주었습니다.

또 다른 연구에서는 연구원들이 강슬래그의 열 성능을 조사했으며, 이를 합리적인 열 저장 재료로 확인했습니다. Na2CO3 활성화를 통해 재료의 열 저장 용량을 25% 이상, 열 전도성을 32% 이상 증가시켰습니다.

하지만 강철 산업의 가장 큰 폐기물 활용은 연구에만 국한되지 않습니다. 세계에서 두 번째로 큰 철강 생산업체인 ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT )은 이 부산물을 철강 제조 공정 내 열 에너지 저장으로 활용해 화석 연료 사용을 줄였습니다. 이 회사는 실제로 Linz-Donawitz(LD) 슬래그를 활용해 약 30개의 새로운 제품을 만들며, 이는 도로와 울타리 기둥을 건설하고, 시멘트 원료 및 하수 필터링에 사용됩니다.

강슬래그, 석탄재, 광산 폐기물 등 다양한 재료도 내구성 있는 탄소 저장에 활용되고 있습니다. 산업 부산물의 CO2 저장 잠재력은 산업 폐기물 생산량에 따라 2100년까지 연간 29억~85억 톤으로 추정됩니다.

플라이 애쉬는 석탄 화력 발전소의 부산물로, 배터리 양극재로 탐구되고 있습니다. 사우디아라비아 연구원들은 플라이 애쉬 탄소를 알칼리 금속 이온 배터리의 양극재로 활용했으며, 이는 비교적 높은 용량과 우수한 사이클 안정성을 보여주었습니다. 별도의 연구에서는 연구원들이 이 부산물을 나노구조 실리콘 파우더로 전환해 리튬이온 배터리 양극 활성 물질로 적용했으며, 좋은 전기화학적 성능을 나타냈습니다.

에너지 생산 과정에서 발생하는 활용되지 않은 바이오매스 및 폐기물은 배터리, 태양전지, 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 장치용 탄소 재료를 만드는 데 효과적으로 활용될 수 있습니다. 폐기물을 활용함으로써 폐기물 성분의 안전한 재활용 문제와 화석 연료 소비를 감소시킵니다.

바이오매스에서 유래한 탄소는 식물 및 동물 폐기물을 인공 공정을 통해 다공성 탄소 재료로 전환하여 생성됩니다. 이러한 구조는 비교적 높은 전도성, 표면적, 다공성을 가지고 있어 특히 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 응용 분야에 뛰어난 후보가 됩니다.

고다공성과 높은 비표면적 때문에 탄소 재료가 슈퍼커패시터 전극으로 널리 사용되는 가운데, 바이오매스 탄소는 광범위한 원료 공급, 저비용, 높은 전력 밀도, 긴 사이클 수명, 낮은 오염 등으로 더욱 돋보입니다.

과학자들은 플라스틱 폐기물을 활용해 차세대 배터리용 고성능 양극재를 만들고 있습니다. 싱가포르 과학자 팀은 화학적으로 연결된 분자를 더 짧은 분자로 분해하여 폐 PET 플라스틱 병으로부터 폴리머 전해질을 제조하는 방법을 개발했습니다.

또한 오래된 리튬이온 배터리를 재활용하면 코발트, 리튬, 니켈을 회수하여 새로운 에너지 저장 시스템에 재사용할 수 있습니다.

전 세계 리튬(Li) 공급의 대부분은 염수와 경암 광석에서 1차 제품으로 존재하며, 주로 호주, 중국, 라틴아메리카에서 채굴됩니다. 한편 코발트 공급은 (10% 미만이 1차 제품으로 발생하고 나머지는 구리 및 니켈 광산의 부산물) 대부분이 콩고민주공화국(DRC)에서 이루어지며, 전 세계 생산량의 65%를 차지합니다.

따라서 오래된 배터리 부품을 재활용하면 폐기물을 줄일 뿐만 아니라 새로운 원자재에 대한 수요도 감소시킵니다. 공급은 풍부하지만 자원 집약적인 채굴과 제한된 지리적 분포라는 문제에 직면해 있습니다.

관련 상장 기업

이제 관련 산업에서 진전을 이루고 있는 기업들을 살펴보겠습니다.

1. Fluence Energy, Inc.

Fluence Energy, Inc.는 전 세계적인 에너지 저장 솔루션 제공업체로, Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack, Ultrastack을 통해 청정 에너지 전환을 추진합니다. 또한 Fluence IQ 플랫폼은 AI 서비스를 제공해 재생 에너지와 저장을 관리·최적화합니다.

$30억 시가총액을 가진 Fluence Energy의 주식은 현재 $16.56에 거래되고 있으며 연초 대비 4.28% 상승했습니다. EPS(TTM)는 -0.08이며 P/E(TTM)는 -219.92입니다. 9월 30일 종료된 분기에 회사는 매출 $13억을 기록했으며 처음으로 순이익 $6,770만을 달성했습니다. 분기 주문량은 $12억이었고, 백로그는 약 $45억으로 증가했습니다. 현금 보유액은 $5.187억이었습니다.

CEO Julian Nebreda는 “역대 최고 매출 및 수익성”을 “회사 성장 궤적에서 중요한 이정표”라고 언급했습니다. 앞으로 그는 “주로 미국 시장에 의해 주도되는 전 세계적인 배터리 에너지 저장 솔루션에 대한 전례 없는 수요”를 보고 있다고 밝혔습니다.

2. Waste Management

Waste Management는 산업 폐기물 재활용에 중점을 두고 주거, 상업, 지방 자치 고객을 위한 수집, 재활용, 처분 서비스를 제공하는 환경 솔루션을 제공합니다.

$833.9억 시가총액을 가진 Waste Management의 주식은 현재 $207.53에 거래되고 있으며 연초 대비 2.84% 상승했습니다. EPS(TTM)는 6.54, P/E(TTM)는 31.71이며 배당 수익률은 1.45%입니다.

2024년 3분기에 회사는 가격 전략의 강력한 실행, 판매하는 재활용 원자재의 시장 가격 상승, 매립량의 큰 증가 덕분에 매출이 7.9% 증가했다고 보고했습니다. Waste Management는 이번 분기에 8개의 재활용 프로젝트를 완료했으며, 계획된 자동화 및 신규 프로젝트 중 절반 이상이 북미 전역에 연간 150만 톤의 재활용 용량을 제공했습니다.

“우리의 강력한 실적은 컬렉션 및 디스포절 사업이 주도했으며, 현장 인력 유지, 비용 구조 최적화, 차별화된 고객 서비스 제공에 집중한 노력이 수익 성장에 기여했습니다.”

– CEO Jim Fish

결론

산업 폐기물은 인구 증가와 기술 발전으로 계속 증가하고 있으며, 적절히 관리되지 않으면 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 대기 및 수질 오염 외에도 이 폐기물은 토양 황폐화, 지구 온난화, 생태계 파괴를 일으킵니다. 전체 폐기물 중 재활용 비율이 매우 낮은 상황에서, 산업 폐기물을 에너지 저장 매개체로 전환하는 최신 발견은 환경에 크게 도움이 되며 지속 가능하고 건강한 미래로 나아가는 길을 열어줍니다.

최고 배터리 주식 목록을 보려면 여기를 클릭하십시오.