스마트한 폐배터리 재활용

스마트한 폐배터리 재활용

대학생신재생에너지기자단 22기 박주은

 

[폐배터리 시장]

전기차에 대한 관심이 커지면서 배터리 시장도 커지고 있다. 일반적인 전기차 배터리 수명은 5년에서 10년이다. 따라서 글로벌 전기차 폐배터리 시장 규모는 2020년 4,000억 원에서 2025년 3조 원으로 성장할 것으로 예상된다. 수명을 다한 폐배터리 시장은 소재나 광물을 추출하여 사용하는 재활용 시장과 ESS 등을 추출하여 다시 쓰는 재사용 시장으로 나뉜다.

이번 기사에서는 폐배터리 재활용에 대해 자세히 다루어보려고 한다.

[자료 1. 폐배터리 발생 추이 및 시장 규모 ]

출처 : 중앙일보

 

[일반적인 폐배터리 재활용 공정]

배터리를 재활용하기 위해서는 여러 단계를 거쳐야 한다. 하지만 본격적인 재활용에 앞서 전처리 단계들이 있다. 일단 배터리를 완벽하게 방전시켜야 한다. 그다음 기계적 처리를 한다. 여기서 기계적 처리란 파쇄 및 분쇄를 이야기한다. 잘게 부서진 폐배터리를 바탕으로 본격적인 배터리 재활용이 이루어진다.

[자료 2. 폐배터리 재활용 공정]

출처 : 유진투자증권

건식공정 (pyrometallurgical)은 열을 이용하는 방법이다. 이 공정은 코발트, 니켈, 구리 등의 금속을 얻어내는 효율적인 방법이다. 건식공정은 간단하다는 장점이 있다. 그러나 대기 오염을 발생시키고 많은 에너지를 필요로 한다는 단점이 있다.

습식공정 (hydrometallurical)은 대부분 산성(acid leaching)을 이용한다. 따라서 많은 에너지가 필요하지 않고 재활용 효율이 놓다. 그러나 기계 부품이 부식될 수 있으며 유독물질이 발생할 수 있다는 문제가 있다.

이런 문제점을 보완하고자 요즘은 박테리아나 곰팡이를 이용한 bioleaching(biological recycling)을 활용하는 경우도 있다. 하지만 이는 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.

 

[AI를 활용한 폐배터리 재활용]

여기서 의문을 가지게 된 공정은 기계적 처리 공정이다. 단순히 모든 것을 파쇄해 용광로에 녹여 금속을 추출하는 방식이 비효율적으로 보였다. 'AI를 도입해 더 효율적으로 배터리를 재활용할 수 있지 않을까?'라는 의문을 품게 되었다. 리튬이온배터리를 분쇄하는 과정은 높은 에너지를 필요로 한다. 또한 해당 과정은 독성 가스를 유발하며 화재를 발생시킬 수 있다. 따라서 리튬이온배터리 분해는 중요한 문제이기 때문에 이를 AI에 적용하는 연구가 활발히 진행될 필요가 있다.

[자료 3. 폐배터리 재활용 일러스트]

출처 : Journal of Energy Chemistry 

왜 아직 AI를 활용하여 폐배터리 재활용을 진행하지 않는 것인가?

이는 5가지 이유 때문이다. 첫 번째, 안전 문제다. 방전된 리튬이온배터리는 중금속, 유독물질, 휘발성 유기물, 높은 전압 등을 갖고 있다. 따라서 감전 가능성이나 유독 가스 방출 등의 위험이 있다. 두 번째, 획일화되지 않은 배터리 디자인 때문이다. 폐배터리의 종류가 다양하고 이에 따라 디자인과 구조가 달라, 기계가 쉽게 접근할 수 없는 것이다. 세 번째, 방전된 배터리의 상태를 파악할 수 없기 때문이다. 배터리의 상태에 따라 공정이 진행되는데, 이를 파악할 수 있을 만큼 기술이 발전되지 않았다. 네 번째, 분해 과정에서 마주하는 기계적 어려움 때문이다. 다섯 번째, 데이터 부족이다.

[자료 4. AI를 활용한 폐배터리 재활용 프로세스]

출처 :  Resources, Conservation and Recycling

이런 문제를 고려해 AI를 접목한 폐배터리 재활용 시스템은 다음과 같다:

폐배터리를 투입한다. 폐배터리의 종류, 상태 등을 파악하기 위해서 다양한 기술을 사용한다. 이때 고려해야 할 점은 속도이다. 빠른 확인과 분류는 공정에서 필수 요소라고 볼 수 있다. 그래서 이 공정에서는 RFID 와 CNN-based CV를 사용하여 종류를 파악한다. 그 후, 배터리의 상태를 파악하기 위한 프로세스를 진행한다. 이때도 AI를 도입하여 사용한다.

그리고 지금까지의 데이터들을 바탕으로 리튬이온배터리의 분해에 대해 결정을 한다. 이때 사용되는 method는 DNN이다. DNN(Deep Neutral Networks)은 딥러닝이라고 받아들이면 된다. AI를 통해 분해 과정이 결정된 폐배터리는 다음 단계로 넘어가게 된다.

[자료 5. AI를 활용하여 파악한 폐배터리의 구조]

출처 :  Resources, Conservation and Recycling

바로 배터리의 구조 파악이다. 이 또한 컴퓨터 스캐닝과 딥러닝인 R-CNN을 통해 파악할 수 있다. 마지막으로 기계적 분리 단계이다. 로봇팔이 나사를 풀거나 레이저로 절단을 하여, 폐배터리를 분해하는 것이다. 이 과정에서도 AI가 사용된다. 예를 들어, 로봇이 나사를 풀 때, 토크(toque)와 위치를 모니터링하면 드라이버가 미끄러지는 것을 예방할 수 있다. AI가 도입된 분해 과정을 통해 분리된 폐배터리는 후처리 과정을 통해 원하는 광물로 재활용될 수 있다.

AI를 활용한 폐배터리 재활용 과정에 대한 기본 시스템 개념은 만들어져있다. 하지만 현재 기술로는 인간의 도움 없이 완벽한 분해를 하는 것은 불가능하다. 따라서 능동적이든 수동적이든 AI 기술과 인간의 협력이 필요하다.

 

[도전과 연구]

우리나라 기업인 피엔티에서도 폐배터리 재활용을 위한 AI 로봇 개발을 하고 있다. 피엔티가 참여하는 국책 과제가 중점적으로 진행하는 연구는 AI 로봇이 모듈 또는 셀 단위로 전기차 폐배터리를 해체하는 자동화 시스템을 개발하는 것이다. 폐배터리 해체 작업은 원래 이차전지 원료를 회수하기 위해 수작업으로 진행되어왔다. 피엔티는 한국로봇융합연구원, 포스텍, 한국기계연구원, 뉴로메카 성일하이텍 등과 함께 연구를 진행하고 있다.

[자료 6. 피엔티의 폐배터리팩 재활용 로봇 자동화 시스템 개념도]

출처 :  뉴스토마토

피엔티가 참여하고 있는 연구의 내용이 바로 본문에서 언급된 내용이다. 자료 6을 보면 로봇이 인간과 어떠한 방식으로 협업해 폐배터리를 재활용하는지 알 수 있다.

이처럼 폐배터리 해체 자동화 시스템은 아직 완성되지 않았다. 더 많은 데이터와 더 정확한 진단을 내릴 수 있는 AI와 딥러닝 방법이 필요하다. 또한 폐배터리 해체는 인간의 개입 없이 아직 불가능한 상황이다. 그러나 폐배터리에는 유독물질과 휘발성 유기물 등이 있기 때문에 인간에게 안전하지 않다. 폐배터리 재활용을 인간의 도움 없이 기계로만 실현하기 위한 연구는 계속되어야 한다.

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폐배터리 재활용에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "'EU 배터리 규제안'이 불러온 폐배터리 리사이클의 새로운 패러다임", 작성자(19기 이수연, 18기 이지수),

https://renewableenergyfollowers.org/m/3480

2. "전기차 폐배터리 버리지 말고 다시쓰자. 이제는 자원순환시대!", 작성자(19기 김수정),

https://renewableenergyfollowers.org/m/3381

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참고문헌

[폐배터리 시장]

1) 김동욱, "대기업, 미래 먹거리 '폐배터리' 주목...전문업체 혐력 '분주'", 머니S, 2022.12.22., https://moneys.mt.co.kr/news/mwView.php?no=2022122114275827185 

2) 최현주, "고물이 보물이네, 폐배터리 600조 시장 열린다", 중앙일보, 2023.01.06., https://www.joongang.co.kr/article/25131057

[일반적인 폐배터리 재활용 공정]

1) Pregowska, A.; Osial, M.; Urbanska, W, "The Application of Artificial Intelligence in the Effective Battery Life Cycle in the Closed Circular Economy Model—A Perspective", Recycling 2022, 7, 81. https://doi.org/10.3390/recycling7060081

[AI를 활용한 폐배터리 재활용]

1) Kai Meng, Guiyin Xu, Xianghui Peng, Kamal Youcef-Toumi, Ju Li,"Intelligent disassembly of electric-vehicle batteries: a forward-looking overview", Resources, Conservation and Recycling, Volume 182, 2022.01., https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344922000556

[도전과 연구]

1) 최성남, "피엔티, 폐배터리 재활용 위한 AI로봇 개발한다", 뉴스토마토, 2022.05.04., https://www.newstomato.com/ReadNews.aspx?no=1120942