버려지는 배터리를 再활용하자!

배터리는 전기의 조력자

 

 인류가 전기를 발견하고 사용한 이후로, 인류의 문명은 기하학적으로 발전을 하였다. 그 중심에는 전기가 있다. 그리고 전기가 주인공이 되는데 조력자 역할을 한 것은 바로 배터리다. 알렉산드로 볼타가 배터리 조상격인 볼타 배터리를 만든 이래로 전자기기라면 거의 필수적으로 들어간다. 대표적으로 우리가 없어서는 안 될 스마트폰 배터리이다. 또한 자동차에도 배터리가 들어간다. 납축전지를 시작으로 니켈수소 배터리, 그리고 최근에는 전기자동차의 재등장을 이끈 리튬이온배터리가 있다. 마지막으로 신재생에너지의 중요성이 대두됨에 따라서 배터리 저장 시스템(ess)의 중요성에 따라서 많은 배터리가 사용될 것으로 예상된다. 이렇게 배터리는 사용 용도에 따라서, 그리고 제품 가격에 맞게 재료를 다르게 사용한다.

[사진1. 삼성전자의 갤럭시 노트8] [사진2. 테슬라 모델3]

[사진3.LG화학 ESS]  [사진4.리튬폴리머 배터리]  

출처: 삼성전자, 테슬라모터스, LG화학

이렇게 많은 배터리들이 수명이 다한다면?

 이렇게 우리 일상생활에 밀접한 배터리는 소모품이다. 리튬이온의 경우에 약 300~500 cylces이후에 배터리 효율이 우리가 체감할 정도로 떨어지게 된다. 배터리도 결국에는 소모품이기 때문에 교체를 해야 한다. 이렇게 많이 폐기되는 배터리를 왜, 그리고  어떻게 처리해야 할까? 

 

폐기를 하면서 발생하는 중금속  

 2013년 미국 캘리포니아 대학(University of California, Irvine), 사우스웨스트 공과대학(Southwest University of Science and Technology)의 연구진은 폐기된 Li-ion 배터리 속에 포함된 중금속은배터리의 작은 크기, 제품의 높은 폐기 비율, 폐기물에 대한 일관적인 정책의 부족은 리튬 배터리가 환경오염에 상당히 기여하고, 독성 물질의 방출 가능성 때문에 인간 건강에 부정적인 영향을 끼친다고 발표했다.

 연구에서, 연구진은 표준화된 침출 테스트, 수명 주기 충격 평가(life-cycle impact assessment, LCIA), 위험 폐기물을 평가하기 위한 안정성 평가, 자원 파괴 지수, 휴대폰에 사용되는 리튬 배터리의 독성 지수 등을 조사하였다. 

 미국 연방 법규에 따르면, 이번 연구결과는 폐기된 리튬-이온 배터리가 높은 납 농도(평균 6.29 mg/L; σ = 11.1; limit 5)를 가지기 때문에 위험물로 분리된다는 것을 증명했다. 그러나 캘리포니아 규정에 따르면, 조사된 모든 리튬 배터리는 높은 코발트 농도, 구리 농도(평균 98694 mg/kg; σ = 28734; limit 2500), 니켈 농도(평균 9525 mg/kg; σ = 11438; limit 2000)를 가지기 때문에 위험물로 분류된다. 

 

폐기되는 리튬이온 배터리를 재활용할 수 있다고?

 리튬이온전지를 구성하는 4대 구성요소는 양극활물질, 음극활물질, 분리막, 전해액으로 분류되며 이 외에 사용되는 소재로는 안전장치, 집전체가 있다.

      [표1. 리튬이온 배터리의 주요 구성 성분]                             [사진5. 리튬이온 배터리의 구조 및 반응 매커니즘]

출처: 폐리튬이온전지 재활용 관리방안 연구(환경부), LG케미토피아

 

 에너지저장량, 저장 및 방전 속도, 사이클 수명, 열안정성 등 을 결정하는 핵심소재는 양극활물질과 음극활물질이다. 양극활 물질에는 리튬계열의 산화물이 쓰이며 가장 많이 쓰이는 것은 리튬코발트산화물이다. 최근에는 원료물질의 가격 급등에 대비하고 사용되는 분야에 적합한 리튬이차전지에 대한 수요가 증가하면서 3원계 양극활 물질, 인산철리튬 등 다양한양극활 물질이 연구되고 사용되고 있다. 이런 양극활 물질은 리튬이온의 제조비용 중 가장 큰 비중으로 35%를 차지한다.

 현재 소형가전제품에 사용된 리튬이온전지의 주요 성분은 코발트이며 그 다음 구리, 알루미늄 순으로 함량이 높고 전기자동차에 사용된 배터리는 리튬이온전지 내에 주요 유용금속들은 코발트, 니켈, 구리,망간, 코발트 순으로 함량이 높아 제품군 간의 차이를 보인다. 리튬이온전지의 음극활 물질로 사용되는 흑연, 실리콘, 주석 등은 저가이거나 회수에 드는 비용을 감당할 수 있기엔 재활용 가치가 낮다.

[그래프1. XRF의 방법으로 분석한 리튬이온 배터리의 구성물질 그래프]

출처: 폐리튬이온전지 재활용 관리방안 연구(환경부)

 반면에 양극활 물질의 구성물인 리튬과 코발트를 포함한 전이금속의 산화물은 재활용 경제적 가치가 높다. 특히 양극활 물질 중 가장 주된 성분으로 사용되는 코발트의 경우 국제적인 자원선점 경쟁 등 공급이 제한되는 환경적 요인으로 가장 먼저 재활용의 경제적 가치가 인식되었다.

 특히, 코발트는 아프리카 콩고민주공화국에서 전세계 공급량의 반 이상을 차지하고 있으며, 자국 내 정치 혼란과 중국 등 외국자본의 코발트 광산에 대한투자 및 전략광물 확보경쟁이 치열한 상황이다. 이러한 이유로 가격상승과 공급부족에 직면할 가능성이 제기되고 있다. 이러한 상황에 맞추어 여러 나라들은 재활용 배터리 시장을 확보하기 위하여 여러 기술들을 확보하고 있으며, 한국 또한 기술력을 확보하고 있는 상황이다.

[도표1. 리튬이온 배터리 재처리 flow charts] 

출처: 폐리튬이온전지 재활용 관리방안 연구(환경부)

 현재 우리나라에서는 2003년 1월 1일부터 자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 시행령에 따라 생산자책임재활용제도를 시행해 오고 있다. EPR제도(EPR:Extended Producer Responsibility)는 제품 생산자나 포장재를 이용한 제품의 생산자에게 그 제품이나 포장재의 폐기물에 대하여 일정량의 재활용의무를 부여하여 재활용하게 하고 이를 이행하지 않을 경우, 재활용에 소요되는 비용 이상의 재활용부과금을 생산자에게 부과하는 제도이다. 현재 전지 6종( 수은전지, 산화은전지, 니켈‧카드뮴전지, 리튬1차전지, 망간‧알칼리망간전지, 니켈수소전지)에 대해서 이 제도를 적용하고 있으며 리튬2차전지에 대해서는 아직 적용이 되지 않고 있는 실정이다.

 

리튬이온 배터리를 다시 사용할 수 있다고?

 위에서는 리튬이온을 분해해서 재처리를 통하여 원료를 공급하는 방법을 설명했다면, 이번에는 기존의 리튬이온 배터리를 그대로 사용하여 재활용하는 방법을 소개하고자 한다. 현재 자동차시장은 바야흐로 전기차와 하이브리드자동차, 수소연료전지자동차가 시장의 주도권을 흔들고 있다. 디젤게이트 사태 이후로 친환경자동차의 중요성이 대두되면서 마이너에서 메이저로 급부상하고 있다.

 전기자동차의 경우에는 파워트레인이 배터리와 모터이다. 전기차의 엔진은 리튬이온 배터리가 주이며 리튬인산철이온 배터리가 사용되기도 한다. 이런 배터리는 점차 효율이 떨어지기 때문에 일정 효율 아래로 내려가게 되면 배터리를 교체해야 한다. 사실 전기차가 가솔린, 디젤 엔진에 비해 고가인 이유는 배터리의 가격이 비싸기 때문이다. 이러한 단점을 역으로 장점으로 바꿀 수 있는 것이 자동차 배터리의 재사용이다.

 독일 재생에너지협회(BEE)와 미국 신재생에너지연구소(NREL) 등에 따르면, 7∼15년 사용한 중고 전기차 배터리도 초기 용량의 70∼80% 수준에서 사용 가능할 것으로 분석했다. 용량 저하된 배터리는 주행거리를 감소시키는 등 전기차 용도에는 영향을 미칠 수 있으나 재생 배터리 사용에는 문제가 없다. 또한 혹독한 사용조건을 가정한 전기차 보다 좋은 환경에서 사용할 수 있어, 10년 이상의 장기 사용도 가능하다.

 이처럼 전기차와 배터리에 대한 문턱이 낮아지면서 이를 기반으로 완성차 전기자동차를 생산하는 자동차업체에서 ESS에 진출을 하기 시작했다. 

[사진6. 닛산의 리프와 i-Series의 배터리 재활용 과정]

출처: 포스코경제연구원

 BMW는 지난 열린 몬트리올 전기차 심포지엄·전시회(EVS29)에서 구형 BMW i3로부터 회수한 배터리를 적용한 ESS 솔루션을 발표했다. 이 제품은 22kwh와 33kwh 등 2가지 용량으로 나오고 최대 24시간 가전제품과 엔터테인먼트 기기를 사용할 수 있다고 소개했다. 테슬라와 다임러는 지난해 ESS 시장에 진출했다. 닛산도 전기차 리프에 사용했던 배터리 셀을 재활용해 이튼코퍼레이션과 함께 가정용 ESS 제품을 오는 9월 출시한다고 공개하는 등 완성차 업체의 ESS 시장 진출이 줄을 잇고 있다.

 

[그래프2. 전기차 누적 판매 및 재활용 가능한 전기차 배터리 규모 전망]

 

출처: 블룸버그

 반면 국내의 경우 현재 전기차 보급률이 낮아 10년 뒤에도 ESS에 필요한 폐배터리 조달이 쉽지 않을 전망이다. 재생 배터리 가공비를 최소화하기 위한 전제 조건인 '단일 차종·모듈 단위 배터리'의 토대를 만들 테슬라 모델S나 닛산 리프 같은 '킬러 모델'이 없어서다. 정부는 전기차 배터리 누적에 따른 장기 대비책이 마련할 계획이지만, 아직 기획 단계다.  

 

 

앞으로는 배터리의 시대 

 현재는 리튬이차전지가 버려지고 있지만 재활용과 재사용을 통하여 앞으로의 스마트그리드를 구축하는 과정을 좀 더 쉽게 도와줄 조력자역할을 하지 않을까 생각한다. 리튬이온전지의 무한한 변신을 기대해봐도 좋지 않을까? 

참고문헌: 

1. 폐리튬이온전지 재활용 관리방안 연구 (환경자원연구부)

2. 리튬 이온 배터리 재활용 기술 (한국과학기술정보연구원)

3. 희소금속을 이용한 산업현황 및 재활용 기술 동향(고등기술연구원 신소재공정센터)

4. 리튬-이온 배터리의 재활용 및 재사용(서울대학교연구처-산학협력단)