늘어나는 전기차, 쌓이는 폐배터리…재활용 기술 주목

리튬 이온 구동 전기차가 확산되면서 여기서 나오는 폐배터리 재활용 방안을 마련해야 한다는 목소리가 커지고 있다. 전기차는 탄소 배출을 줄이려는 정부의 노력과 보조금 덕분에 인기가 많지만 엄청난 양의 폐배터리가 양산되는 문제가 있다.

국제에너지기구는 전기차 시장이 EU 3000만대를 포함해 2030년까지 최대 2억대까지, 글로벌 OEM사는 2025년까지 7000만대까지 늘어날 것으로 예상하고 있다. 국내 전기차도 지난 연말 기준으로 13만5000대(누적)로 현 추세라면 2025년 113만 대가 된다. 지금의 8배다.

이에 따라 폐배터리도 엄청난 규모로 배출될 것으로 예상된다. 약 10년 전 전기차가 출시된 이래 배터리 교체 주기가 다가오면서 전 세계는 배터리의 환경적 영향과 폐기 방법을 본격적으로 고민하기 시작했다.

현재 추정에 따르면 리튬 이온 배터리의 5%만이 수명이 끝날 때 재활용되며, 위험한 공정에 안전하게 처리할 수 있는 수단이 없어 폐기물 운송업체와 재활용업체에게 맡겨지고 있다. 폐배터리는 심각한 환경오염을 유발한다. 국립환경과학원은 폐배터리를 산화코발트, 리튬, 망간, 니켈 등을 1% 이상 함유한 유독 물질로 분류하고 있다.

많은 리튬 이온 배터리는 재료 복구 시설에서 위험한 화학물질 배출과 함께 화재와 폭발로 이어질 가능성에 항시 노출되어 있다. 유럽 일각에서는 유효한 폐기 계획이 있을 때까지 전기차 판매를 중단해야 한다는 조금 극단적 주장도 제기되고 있다. 환경운동가들과 일부 정치인들은 탄소 배출과 독성 폐기물을 동일한 개념으로 취급하려고 한다.

전기차 보조금과 의무화를 중단하고 배터리 폐기물에서 코발트, 니켈, 구리, 리튬을 재활용 하는 계획을 입법화 해야만 탄소 배출도 줄이고 독성 폐기물도 최소화할 수 있다는 주장이다.

배터리 생산량에서 세계 최고 수준을 달리는 한국 입장에서 향후 유럽에서 추진하는 탄소세나 탄소국경세 외 전기차에서 나오는 폐금속 문제를 다루는 법제화가 이뤄질 경우를 배제할 수 없다. 관련 기술 개발에 관심을 가져야할 중요한 때다.


전기차 배터리는 폐기 처리 후 70~80%의 용량은 재활용할 수 있는 자원으로 알려졌다. 따라서 폐배터리 재활용 시스템이 완비되면 배터리 생산 비용을 30~60% 인하하는 것도 가능하다. 전기차 폐배터리는 아직까지 전 세계적으로 표준화된 평가나 재활용 기준이 없다.

따라서 폐배터리를 재활용하려는 기업이나 연구소들은 현재 제각기 다른 방식으로 재활용을 하고 있는 실정이다. 친환경 산업을 선도하는 독일은 2009년 12월부터 배터리 수거 의무를 규정하는 '신배터리법'을 도입하고 있다. 이에 따르면 배터리 제조업체 및 수입업체, 유통업체는 노후한 배터리의 회수 및 재활용 의무가 있다.

노후된 폐배터리 재활용이 성장 가능성이 높은 신기술로 주목받기 시작한 것이다. 리튬이온 배터리는 500회 정도 충전하면 성능이 급격히 저하된다. 1회 충전 시 주행 가능 거리가 300 ~400㎞임을 감안하면 15만~20만㎞ 달린 후 배터리 교체가 이뤄진다.

폐배터리는 회수 처리를 거치면 재활용이나 재사용이 가능하다. 폐배터리 중 잔존 가치가 70~80% 이상인 것은 에너지저장장치(ESS)용으로 재사용할 수 있다. 재사용이 어려울 만큼 성능이 떨어진 폐배터리의 경우 분해해 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등의 희귀금속을 추출해 재활용한다.

국제에너지기구는 향후 10년간 전기차가 800% 가량 늘어날 것으로 예상하면서 향후 전기차 배터리 재활용이 폐기물과 배터리 처리 오염을 피하려는 사람들에게 초점이 될 것으로 본다.



전기차 폐배터리 문제는 머지않아 닥칠 미래다. 전기차 보급이 늘어날수록 폐배터리 배출도 빨라진다. 이대로라면 당장 3년 뒤엔 한 해에만 폐배터리가 1만 개 쏟아진다.

2018년부터 폐배터리가 배출되기 시작했다. 지금까지 폐배터리는 전국 493개(누적) 수준이다. 조만간 크게 불어날 것으로 예상된다. 환경부는 누적 폐배터리 수만 2026년에는 10만 개에 육박할 것으로 보고 있다.

폐배터리는 매립이나 소각이 안 된다. 리튬은 물이나 공기에 닿으면 급격히 반응해 화재 발생 위험이 있다. 반드시 재사용·재활용해야 한다.


폐배터리는 폐기 처리후에도 성능이 60~70% 정도 남아 있다. 이에 ESS나 충전 주행거리가 짧은 농기계, 전기 자전거 등에 다시 쓰는 방안이 고려되고 있다. 분해해 니켈, 코발트 등을 추출, 재활용하는 방법도 있다.

최근 환경부는 세계 표준이 없는 폐배터리 재활용 표준을 선점할 수 있도록 폐배터리 잔존 가치와 안정성을 평가하는 기준을 마련하겠다고 밝혔다. 또한 전남 나주시는 총 231억 원을 투입해 배터리 재활용센터를 건립할 계획이며, 포항시도 2022년까지 배터리 재사용산업에 총 1000억 원을 투자할 방침이다.

시장조사업체 네비건트 리서치는 전기차 시장 확대에 따라 향후 중고 배터리 거래가 점차 확대될 것으로 보면서 시장 규모가 2035년에는 30억 달러(약 3조5600억원)까지 늘어날 것으로 전망하고 있다.

2016년부터 미국과 유럽을 제치고 세계 최대 전기차 시장으로 부상한 중국은 올해부터 폭발적인 전기차 배터리 교체기를 맞게 된다. 중국자동차기술연구센터에 의하면 올해 중국의 폐배터리는 약 20만t에 이르며, 2025년엔 35만t에 이를 것으로 전망된다.

수십만 톤 규모 폐배터리 회수 및 재활용을 관리하기 위해 중국은 2년 전부터 시범사업을 시행하고 가이드라인을 제시하는 등 다양한 노력을 기울이고 있다.

산시성, 상하이시 등 17개 성‧시를 시범지역으로 정해 각 지역마다 재활용센터를 세워 배터리 제조사 및 중고차 판매상, 폐기물 회사와 공동으로 회수 및 재사용이 가능한 시스템을 구축 했다.



폐배터리를 재활용하는 기술은 크게 두 가지다.

먼저 ‘피로메탈루기’라는 추출 야금 방식이다. 귀중한 금속 회수를 가능하게 하기 위해 재료에 물리적 및 화학적 변환을 가져오기 위하여 광물과 야금 광구 및 농축물을 열처리한다.

순수 금속, 또는 중간 화합물 또는 합금과 같은 판매할 수 있는 제품을 생산할 수 있다. 추출 원소의 예로는 철, 구리, 아연, 크롬, 주석 및 망간과 같은 덜 반응성 원소의 산화물이 있다.

이는 간단하지만 오염을 유발하는 화석 연료의 사용을 필요로 한다. 생태학적으로 매우 친화적이지 않다.

또한 리튬과 알루미늄을 잃어 버렸기 때문에 배터리를 재활용하는 이상적인 방법과는 거리가 멀다. 그러나 리튬 회수에 대한 연구가 현재 진행 중이다.

다음은 ‘하이드로메탈루어기’다. 이는 추출물 야금분야 내의 기술로 광석에서 금속을 얻는 기술이다. 광석, 농축물 및 재활용 또는 잔류 재료로부터 금속을 회수하기 위한 수성 용액의 사용을 포함한다.

배터리에 대한 일반적인 공정은 침출이며, 이는 강한 산에 리튬 이온 세포를 담그고 금속을 용액으로 용해시키는 과정이다.

재료 회수의 성공률, 특히 리튬은 이 기술을 사용하여 훨씬 높지만 비용이 많이 들고 복잡한 공정이 될 수 있다.


폐배터리의 자원회수가 원활히 이뤄질 경우, 코발트 등 금속의 수입 대체에 상당히 기여할 수 있다. 2027년 폐배터리 회수 가능 코발트 추정량은 휴대폰용 약 169t, 전기차용 배터리에서 약 286t, ESS용 약 234t으로 총 689t이다.

광물의 90% 이상을 수입에 의존하고 있는 국내 상황과 코발트와 리튬 등 유가치 금속의 가격 상승을 고려할 때, 효율적인 자원 재활용이 가능하도록 관련 기술을 개발하는 것이 중요하다.


리튬 이온 배터리 재활용 분야에서 최근 떠오르는 기업이 있다. 캐나다 기업 리싸이클(Li-Cycle)은 북미 최대의 리튬 이온 재활용 업체로 자리매김하여 침출을 엄격히 사용해 제련으로 인한 화석 연료 오염을 건너뛰고 배터리를 재활용했다.

리-사이클(Li-Cycle)의 배터리 재활용 프로세스는 재사용 금속의 회수를 돕기 위해 배터리를 방전하기 위해 통에 배터리를 떨어뜨리고 분쇄한다. 공기 배출량이 매우 적고 물 낭비가 전혀 없으므로 탄소 배출이 매우 적다.

리튬 이온 배터리를 재활용하는 가장 저렴하고 쉬운 방법을 찾기 위해 현재 많은 연구 개발이 진행되고 있다.

최신 배터리 팩의 주요 문제는 용접이 닫혀 있어 모든 구성 요소를 정렬하고 액세스해 수천 개의 셀을 분리하기가 어렵다는 것이다.

미국 회사 아셀러온은 탈착식 하드 쉘 케이스를 만들어 이 문제를 해결하려고 한다. 내부의 셀을 교체하거나 업그레이드할 수 있도록 제거하여 교체하거나 업그레이드할 수 있다.

이 기술이 구현되는지 여부에 관계없이 배터리의 제조 및 재활용과 관련해 미래에 눈에 띄는 변화를 기대할 수 있다.

독일 화학기업인 뒤젠펠트는 분쇄기로 리튬이온 배터리를 분쇄물질과 전해질 중 하나만 남을 때까지 분해해 파쇄된 재료로부터 이전의 원료인 흑연, 망간, 니켈, 코발트, 리튬 등을 얻는 기술을 개발했다. 이 물질들은 다시 모터용 배터리의 재생산에 투입되는데, 모든 배터리 구성요소의 96%를 재활용할 수 있는 것으로 알려졌다.


에너지 저장 과학에서 경력을 쌓아온 지안린 리는 배터리를 처리하고 조립하는 새로운 방법을 발견하는 것이 새로운 재료 개발만큼이나 중요하다는 입장을 밝히고 있다.

오크리지 국립 연구소(ORNL)의 테네시 브레데센 센터에너지 저장 및 전환 제조 그룹 수석 R&D 직원 및 그룹 리더인 지안린 리는 재료 합성, 처리 및 특성화, 전극 엔지니어링, 세포 제조 및 에너지 저장 및 변환을 위한 프로토타이핑을 연구하고 있다.

그는 오크리지 국립 연구소에서 더 저렴한 비용으로 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 배터리개발을 하고 있다. 개선된 재료와 공정을 추구하며, 더 안전하고 오래 지속할 수 있는 배터리 개발을 추구한다.

그는 코발트가 없는 배터리 음극을 개발하여 중요한 자재 공급망 과제를 해결했다. 새로운 고에너지 밀도 리튬 배터리 설계 및 이 배터리 생산을 가속화하는 프로세스를 개발했다. 또한 빠르게 전기차를 충전하는데 필수적인 극한의 빠른 충전을 보다 쉽게 할 수 있는 배터리를 설계하기 위해 재료와 프로세스를 다루고 있다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com