폐배터리 재사용, 환경을 위한 한 걸음

폐배터리 재사용, 환경을 위한 한 걸음

대학생신재생에너지기자단 25기 윤영서

 

[폐배터리 문제의 현주소]

[자료 1. 분해된 폐배터리]

출처 : 제주의소리

배터리의 성능 향상은 인간 삶의 다양한 분야에 큰 영향을 끼쳤다. 많은 직장인과 대학생이 등하교 시 이용하는 각종 모빌리티, 현대 삶의 필수품이라고 할 수 있는 스마트폰과 노트북 등 전자기기들, 지루한 출근길의 위안이 되는 무선 이어폰이나 헤드폰까지. 현대인들의 삶은 더 이상 배터리 없이 상상하기 힘들다. 그러나 특정 분야의 눈부신 발전은 언제나 이면의 그림자를 만든다. 배터리도 예외는 없다. 2017년 환경부에서는 폐배터리를 ‘폐차 및 수명 만료에 따라 배출되는 친환경 차 배터리’라고 정의했다. 최근 전기자동차 사용이 증가함에 따라 폐배터리의 배출량이 늘어나고 있으며, 이에 따라 관련 산업은 크게 성장 중이다. SNE리서치의 조사 결과에 따르면 2023년 기준 전 세계 폐배터리 규모는 약 18GWh이며 2030년, 2040년까지 각각 338GWh, 3,389GWh까지 성장할 것으로 예측된다.

종류마다 차이가 있지만, 배터리의 수명은 최대 15년 전후로 추정된다. 수명이 지난 배터리는 그 성능이 급격하게 감소하며 중금속 유출이나 화재 위험 등 다양한 환경 오염 문제를 야기한다. 따라서 현재 폐배터리는 환경부에서 고시한 법령에 따른 지자체별 수거 체계에 따라 회수하고 있으며, 그 분해와 관리 또한 법령에 따라 철저히 관리된다. 이후 적합한 기준에 따라 분리된 몇몇 폐배터리는 재사용 되기도 한다. 그러므로 폐배터리의 재사용 가능성을 판단하여 환경 보호와 자원 활용에 기여하는 과정은 필수적이다.

[자료 2. 전기차 배터리 재사용 흐름도]

출처 : 환경부

그렇다면 폐배터리의 재사용 가능성을 판단하는 기준에는 어떤 것들이 있을까? 아직 국가적 차원의 기준이 마련되어 있지는 않지만 대개 폐배터리의 재사용 가능성 판단은 외관 검사와 배터리 기능 평가 과정을 거친다. 각 과정을 구체적으로 탐구하며 지속 가능한 사회로 한 발짝 나아가 보자.

 

[외관 검사]

[자료 3. 폐배터리 재사용 가능성 검사 장치]

출처 : 반도체 네트워크

전기차 폐배터리의 외관 검사는 배터리의 외부 상태를 시각적으로 확인하는 과정이다. 이때 배터리 케이스와 주변 부품에 손상 혹은 파손된 부분의 여부를 확인한다. 배터리의 손상 및 파손 여부는 배터리의 효율성과 폭발 및 양극재 유출 등의 안전 문제를 야기할 수 있기 때문에 중요한 과정 중 하나이다.

현재 외관 검사는 대부분 수작업으로 이루어지고 있다. 이는 시간 효율성 감소 및 인적 자원 낭비의 문제를 안고 있으며 높은 오류율을 초래하는 원인이 되기도 한다. 특히 미세한 배터리 팽창 및 파손은 인간의 눈으로 확인하기 힘들기 때문에 추가적 검사 대상으로 분류되는 비효율성을 낳기도 한다. 그러므로 최근 관계자들은 딥러닝 기반의 외관 검사 알고리즘 개발에 박차를 가하고 있다. 딥러닝 기반의 CNN을 이용한 이미지 처리는 충분한 학습을 통해 정확도와 속도의 측면에서 수작업보다 더 높은 효율성을 낳을 수 있다. 폐배터리 이미지 수집 및 3D 모델링을 통한 합성 데이터 제작으로 딥러닝 알고리즘의 성능을 개선할 수 있으며 현재 IBM Research, Tesla 등의 기업에서 딥러닝을 이용한 외관 검사를 진행하고 있다.

 

[배터리 기능 평가]

배터리 기능 평가 과정은 배터리의 잔존용량과 안정성 등을 평가하며 배터리가 원래 목적을 수행할 수 있는지 확인함으로써 폐배터리의 재사용 가능 여부를 판단하는 중요한 단계이다. 배터리 기능 평가는 정성적으로 용량 평가, 충전 효율 평가, 방전 특성 평가, 내부 저항 평가, 안전성 평가로 구분될 수 있다.

먼저 용량 평가는 배터리가 저장할 수 있는 전력의 용량을 평가하는 과정이다. 충전 효율 평가는 배터리가 충전될 때의 효율성을 평가할 수 있는 과정이며 이때 충전 과정에서의 열 손실과 에너지 손실을 측정하여 확인 가능하다. 방전 특성 평가는 배터리가 전원 공급 시 전압 유지, 변화, 강화 등의 다양한 현상을 평가하는 과정이다. 내부 저항 평가는 배터리가 전력을 공급할 때 발생하는 내부 저항을 평가한다. 이는 배터리로 다시 사용될 시에 전력 공급의 효율성과 연결된다. 마지막으로 안전성 평가는 배터리의 충전, 방전 시 화재나 폭발 등의 안전사고로부터 안전하게 작동될 수 있을지의 여부를 평가한다.

[자료 4. 배터리의 구조]

출처 : Automotive Cells Company

배터리 기능 평가는 물리적으로 팩 분석과 모듈 분석으로도 구분 가능하다. 먼저 팩이란 배터리 모듈을 여러 개 포함하는 큰 단위의 부품이다. 여러 모듈을 하나로 묶어 배터리 시스템을 구성한다. 팩 분석 과정에서는 팩의 전체적인 상태, 충전 및 방전 용량, 내부 전극의 상태 등을 확인한다. 팩은 여러 모듈로 구성되어 있으므로 모듈 분석을 위해서는 팩 분해 및 특수장비 사용이 필요하다. 모듈 분석에서는 각 모듈 내부의 배터리 셀 상태를 평가한다.

이런 전반적인 과정을 통해 폐배터리에 등급을 부여하며, 배터리가 어떤 용도로 재사용하기에 적합한지 판단할 수 있다. 또한 등급은 폐배터리를 효율적으로 관리하는 데에도 큰 도움이 된다.

[자료 5. 방전 중인 배터리 이미지]

출처 : Adobe Stock

 

[폐배터리 재사용의 미래]

[자료 6. 폐배터리 재사용과 환경 보호]

출처 :Lohum

폐배터리의 재사용은 우리 사회가 지속 가능한 미래를 향해 나아가는 핵심 과제 중 하나로 부상하고 있다. 현재 이 산업은 아직 초기 단계이며, 다양한 도전과 과제가 존재한다. 그러나 이에도 불구하고 폐배터리 재활용 산업은 높은 잠재성을 가지고 있으며, 미래에 더욱 발전할 가능성이 크다. 먼저, 인공지능과 자동화 기술의 발전은 폐배터리의 평가 및 분류 과정을 혁신적으로 변화시킬 것으로 기대된다. 이러한 기술의 적용으로 인해 배터리 평가가 더 효율적이고 정확하게 이루어질 것으로 예상된다. 또한, 자동화 기술의 도입으로 인해 생산성이 향상되고 인력 비용이 절감될 것으로 기대된다. 둘째, 배터리 재활용에 대한 인식과 관심이 높아지고 있다. 지속 가능한 환경을 위한 노력이 강조되면서, 기업 및 정부 차원에서 배터리 재활용에 대한 투자와 연구가 증가하고 있다. 이러한 노력은 폐배터리 산업의 성장을 촉진하고, 새로운 기술과 혁신을 유발할 것이다.

세계적인 환경 문제에 대한 우려가 커지고 있는 상황에서, 폐배터리 재활용은 근본적인 해결책으로 주목받고 있다. 재활용된 배터리를 통해 귀중한 자원을 보존하고 환경 오염을 줄일 수 있다. 또한, 재활용된 배터리를 이용한 에너지 저장 시스템은 재생 가능 에너지의 보조 수단으로 활용될 수 있어 전력 공급의 안정성과 지속 가능성을 향상할 것이다. 앞으로의 폐배터리 재사용 산업은 지속 가능한 미래를 위한 핵심 요소로 자리 잡을 것이므로 산업의 성장과 발전은 환경 보호와 에너지 절약, 경제 발전에 긍정적인 영향을 미칠 것이다. 편리한 삶과 깨끗한 환경, 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 폐배터리 산업의 미래가 머지않았다.

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폐배터리와 재사용에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "배터리 재사용, 이제는 안전성 검사를 거쳐야 한다", 23기 김용대, 배터리 재사용, 이제는 안전성 검사를 거쳐야 한다 (renewableenergyfollowers.org)

배터리 재사용, 이제는 안전성 검사를 거쳐야 한다

2. "LFP 배터리의 새로운 이면?", 23기 김태현, LFP 배터리의 새로운 이면? (renewableenergyfollowers.org)

LFP 배터리의 새로운 이면?

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참고문헌

[폐배터리 문제의 현주소]

1) 환경부, “한국형 녹색분류체계 가이드라인”, 2022.12., readDownloadFile.do (me.go.kr)

[외관 평가]

1) 이정구, " 전기자동차 폐배터리의 재활용·재사용 산업 확대에 따른 기업의 사업기회와 추진전략", ASTI Market Insight, 2021, ASTI Market Insight 04(전기자동차 폐배터리) (0127).pdf (kisti.re.kr)

2) 최민호, 조윤성, 엄주명. (2024). 가상 이미지 데이터셋을 활용한 딥 러닝 기반 폐배터리 결함 실시간 탐지. 한국CDE학회 논문집, 29(1), 1-10, 10.7315/CDE.2024.001, 가상 이미지 데이터셋을 활용한 딥 러닝 기반 폐배터리 결함 실시간 탐지 (kci.go.kr)

[배터리 기능 평가]

1) 정지우, 최진영, 이혜진, 박아현, 정석희. (2023). Recycling and Reuse of Waste Batteries from Electric Vehicles: A review. 전남대학교 환경에너지공학과 광주캠퍼스, Recycling and Reuse of Waste Batteries from Electric Vehicles: A review (jksee.or.kr)

2) Battery Lab, “세상의 모든 배터리에 대한 궁금증-글로벌 폐배터리 산업의 동향은 어떻게 될까?”, Battery Inside, 2023.09.19., 세상의 모든 배터리에 대한 궁금증 – 글로벌 폐배터리 산업의 동향은 어떻게 될까? - 배터리인사이드 | BATTERY INSIDE (lgensol.com)