배터리 재활용, 탄소중립·자원순환 ‘1석2조’

■ 원료소재의 원가경쟁력·탄소배출 감소를 위한 배터리 재활용

전기차의 보급은 탄소중립을 위한 친환경 수송수단의 보급이라는 측면에서 중요한 위치를 차지한다. 반면에 전기차 보급의 성공을 위해서는 단순히 탄소중립이라는 대의명분에 의존하기 보다는 소비자들이 이용할 수 있는 즉 보급에서 경쟁력을 가져야 한다. 인프라 구축도 중요하지만 무엇보다도 소비자들이 경제적 부담없이 전기차를 구입해야 할 수 있어야 한다는 것이다. 이를 위해 전기차 메이커들의 원가 절감 노력이 지속됐으며, 무엇보다도 전기차의 핵심 부품인 배터리의 가격 경쟁력 및 원가 감소를 위해 배터리 메이커들의 끊임없는 노력을 통해 일반인들도 쉽게 접근할 수 있는 가격 경쟁력을 갖게 됐다.

특히 전기차 배터리로 사용되는 이차전지의 핵심 소재인 리튬, 코발트, 니켈, 구리 등은 전량 수입에 의존하고 있어 국제적인 수급 환경에 많은 영향을 받고 있다.

배터리 제조사들은 기술혁신을 통해 배터리의 밀도 및 수명 향상, 원가 절감 등을 이뤄낼 수는 있지만 핵심 소재의 가격을 싸게 할 수는 없었다. 이에 점점 상승하고 있는 배터리 소재에도 불구하고, 가격 경쟁력을 갖추기 위한 끊임없는 노력이 지속돼 왔지만, 결국 궁극적인 가격 경쟁력을 갖추기 위해서는 핵심 소재의 가격 하락 및 안정적 수급이 필수다.

이에 주요 배터리 제조업체들은 이를 해결하기 위해 배터리 재활용 사업에 본격 뛰어들고 있고, 우리 정부도 국가적 차원에서 배터리 재활용 과제를 진행하고 있다.

도시광산으로 불리는 이차전지 배터리 재활용 사업은 탄소배출량 감소 및 핵심 소재의 확보, 가격 경쟁력 확보라는 차원에서 반드시 이뤄져야 할 것으로 여겨진다.

■ 배터리 재활용 2030년 181억불 시장

온실가스 배출 규제에 따른 친환경 전기차 판매량 증가로 향후 폐배터리 발생량이 급증할 것으로 예상된다.

현대자동차 류희연 팀장에 따르면 폐배터리 발생량이 2021년 3GWh에서 2030년 93GWh로 증가할 것으로 전망됐다.

이와 함께 마켓앤마켓에 따르면 전기차 폐배터리 재활용을 포함한 모든 종류의 리튬이온 배터리 리사이클링 시장은 2019년 15억달러 시장에서 2030년 181억달러 시장으로 성장할 것으로 전망됐다.

배터리 리사이클링의 가격적인 측면을 살펴보면, 셀을 만들 때 광석으로부터 만들때보다 경제적인 것으로 분석된다.

다만 아직 배터리 리사이클링에 대한 체계적인 국가적 시스템이 없다보니 배터리 리사이클링에 대한 체계적인 진행이 되고 있지 않다. 현재 전기차의 배터리는 ‘대기환경보전법’에 따라 전기차 폐차시 보조금을 수령한 해당 지자체에 반납하게 되는데 지자체에서 반납된 배터리에 대한 성능평가 프로세스가 없다보니 지자체 반납 후 재활용이나 폐기 등의 절차를 받지 못하고 지자체에 보관 중으로 현재 전국적으로 200여개의 전기차 폐배터리가 보관 중으로 알려졌다. 2029년까지 8만개 이상이 배출될 것으로 예상되고 있다.

현재 국내 배터리 리사이클링은 배터리 제조사에서 불량 등으로 발생한 물량을 재활용하는 수준이라 시장 성장을 위해서는 전기차용 배터리 뿐만 아니라 다른 산업에 사용됐던 이차전지까지 모두 회수해야 하는 실정이다.

이에 정부는 배터리 재활용을 활성화 시키기 위해 제주, 포항, 나주 등에 산업화 센터를 마련하고 실증화 작업에 돌입한 것으로 알려지고 있다.


전기차 원가경쟁력·핵심소재 확보, 도시광산 투자 각광
세계 각국 의무 규제 시행, 국내 시장 개화 민관협력 必


세계 각국도 전기차 배터리 재활용에 적극 나서고 있다. 유럽, 중국은 자동차 OEM사에 폐배터리 재활용 의무를 규제 시행 중이다. 일본은 현재 재활용 생태계 구축 중으로 도요타는 계열사인 토요타통상 주도로 배터리 재활용 순환 프로세스를 구축했고, 혼다는 기술보유 업체와 협업해 재활용 생태계 구축에 나서고 있다.

유럽은 유미코어 같은 전문업체와 협력을 통해 자원 재활용 법규에 대응하고 있고, 미국은 폐배터리 발생 규모가 적고, 재활용 규제가 부재해 재활용 시장이 형성 단계다.

중국은 정부의 전기차 배터리 재활용 의무화 추진으로 적극대응하고 있으며, 폐배터리 회수망을 구축하고, 배터리 추적 관리를 통해 시장 활성화에 적극 나서고 있다. 더불어 전기차 메이커들은 재활용 시장 진출에 적극 나서고 있고, 전문업체들도 정제기술을 활용에 시장에 적극 진입하고 있다.

전기차 배터리를 위해서는 우선 해체공정을 통해 배터리를 방전시키고, 커버를 벗겨내고, 케이블 떼어내고, 모듈에서 셀을 분리해야 한다.

이 과정에서 배터리 팩 사이즈의 다양한 무게, 다양한 사이즈, 다양한 모양 등으로 인해 자동화가 어려워 현재 사람의 수작업에 의존하고 있으나 향후 공정 자동화가 절실하며, 협동로봇 등을 통한 자동화 개발을 현재 검토하고 있다.

이어서 물리적 파쇄를 통해 셀단위로 나온 것을 파우더로 만든다. 화재의 위험이 있으니까 우선적으로 방전이 중요하다.

배터리 재활용 기술은 크게 3가지가 있다.

우선 건식 공정은 고온 용융하는 공정이다. 재활용 되는 양극활 물질은 산화물로 구성돼 있어서, 산소가 붙어있는 물질에서 산소를 빼내어 환원시켜 니켈, 코발트, 구리 등을 상품화시킨다. 다만 리튬의 경우 다른 프로세스를 적용해 재활용해야 한다. 초기 비용이 많이 들지만 많은 양을 생산하는데 좋다.

건식공정은 연 10만톤을 처리할 수 있는 퍼니스, 고온용융 처리 설비들 필요하다 또한 먼지 제거 집진기, 오프가스 처리 설비 등이 필요해 부대설비까지 합치면 규모가 커 대용량에는 적합하지만 투자비가 높다.

습식은 용액을 다루는 공정으로 물리적 파쇄, 양극활 물질, 음극활 물질 파우더, 고체원료를 용액화하고, 용매추출을 통해 고순도화 한 후 금속, 화합물 등으로 제작한다. 습식공정은 탱크와 여과기만 필요해 초기 비용이 적게 드는 장점이 있고, 고순도화가 쉽다.

건식과 습식 기술 통합으로 고순도, 대량 소재 추출이 가능하다.

다이렉트 리사이클링은 양극활 물질을 잘 다독여서 재생양극활 물질을 만들어 실제 부품에 적용하는 것으로 아직까지는 양산으로 돌입한 사례는 없다.

■ 배터리 재활용, 배터리 산업 생태계 구축 핵심

배터리 재활용을 통해 전기차에서 발생하는 탄소량의 7.3%를 저감할 수 있고, 전기차 경쟁력 강화 및 전기차 시장 성장이라는 두 시장이 공동 성장하는 선순환 싸이클 구축이 가능하다.

이에 세계 주요 기업들은 배터리 재활용을 통해 친환경적인 배터리 자원순환 체계 구축에 적극 나서고 있다.

닛산은 배터리 재사용 전담 자회사를 설립하고, 전력사업자와 ESS 실증을 추진 중이다. 전기차배터리 팩 분해후 재가공 해소형 및 중/대형 ESS에 적용 중이다.

다임러는 독일 내 전력업체와 협력해 전력용 ESS 프로젝트를 진행하고 있으며, 배터리 자회사가 ESS제조, ESS판매 자회사가 태양광 업체에 판매하고 있다.

토요타는 HEV 배터리를 활용해 토요타 공장 및 미국 옐로우스톤 국립공원 내 ESS설치 및 실증 중이다.

BMW는 전기차 전용 BMW I 론칭에 맞춰 재활용 연구를 시작했으며, 독일/미국 전력 서비스 업체를 대상으로 배터리 공급에 나서고 있다. 또한 전기차/ESS 배터리 공용화를 통해 배터리팩을 그대로 소형 및 중/대형 ESS에 적용하고 있다.

현대차도 1MWh급 ‘전기차 배터리 재사용 ESS’를 현대제철에 구축한 바 있고, ESS 주요 업체와 협력을 통해 국내, 북미, 유럽에서 실증을 확대 중이다.

이러한 가운데 경상북도는 2019년 7월 지정된 ‘경북 차세대 배터리 리사이클 규제 자유특구’의 주요사업인 ‘고안전 친환경 기반 사용후 배터리 종합 관리 기술개발’, ‘전기차 사용후 배터리를 이용한 100KW급 이하 에너지저장장치 개발’ 등을 위한 실증을 하고 있다. 또한 2020년 11월부터 ‘재사용 불가 배터리 재활용 실증사업’ 착수에 들어가 배터리 리사이클 산업화의 기반을 갖추고 있다. 실증기간 동안 사용후 배터리 재활용 설비 및 프로세스로 배터리의 파·분쇄 공정을 통해 유가금속을 회수하고, 일정이상의 수율이 나오게 되면 국제시세를 고려해 배터리 매각기준 마련의 기초자료로 활용하게 된다.

‘배터리 핵심소재-배터리 완제품-전기차’로 이어지는 배터리산업 생태계 구축을 위해서는 배터리 재활용이 시급하다. 배터리 재활용 산업화는 니켈, 코발트, 망간 등 이차전지 핵심 원료광물 자립에도 기여할 것으로 기대를 모으고 있는 만큼 지금이라도 늦지 않게 배터리 재활용 시장 개화를 위해 민관 협력이 절실하다고 입을 모으고 있다.

▲  배터리 리사이클링을 통한 자원순환 모델(자료 : 유미코아)

▲  리튬이온 배터리 리사이클링 시장 전망(자료 : MarketsandMarkets)

▲  국내 전기차 배터리 재활용 흐름도(자료 : 성일하이텍)

▲  전세계 주요 배터리 리사이클링 업체 위치도(자료 : 성일하이텍)