이차전지 기술발전으로 인해 전기자동차로 전환이 가속화되고 있습니다. 전기차 생산이 증가할수록 폐기되는 폐배터리는 자연스럽게 증가할 것이며, 폐배터리 재활용 기술 수요가 증가할 것으로 보고 있습니다.
폐리튬이온 배터리 재활용이 필요한 이유
대표적으로 전기자동차 및 에너지 저장장치 배터리의 대부분은 리튬이온 배터리(LIB)를 취급하고 있습니다. 이외에도 전기오토바이, 전동공구, 카메라, 스마트폰, 노트북 등 리튬이온 배터리의 수요는 지속적으로 증가하고 있습니다.
리튬 이온 배터리 사용이 보편화된 이유는 다른 유형의 배터리 보다 에너지 밀도가 높아 더 많은 전력을 사용할 수 있습니다. 즉, 같은 공간이면 리튬 이온 배터리가 훨씬 효율이 높은 특징입니다.
또한 다른 유형의 배터리보다 수명이 길기 때문에 상대적으로 많은 충전과 방전의 주기를 가지고 있으며, 리튬이온 배터리는 셀과 패킹 사이즈가 제조회사마다 설계 방식부터 다르게 구성됩니다.
많은 전력이 필요한 분야에는 배터리 팩이 수백 혹은 수천 개의 셀로 구성되어 있으며, 수많은 모듈이 모인 배터리 팩 또한 모양과 사이즈가 다르게 설계할 수 있기 때문에 유연성 측면에서도 큰 장점이 있습니다.
이러한 이유로 리튬이온 배터리(LIB)가 대중화된 배터리로 인식이 되고 있지만, 실제 제조 회사마다 제조 방식이 다르기 때문에 배터리 폐기 시 전문적인 기술이 필요합니다.
리튬 이온 배터리의 종류
리튬이온 배터리를 세부적으로 나누면 몇 가지 유형이 존재합니다.
리튬이온 배터리 계열은 다른 화학반응, 성분으로 인해 충전과 방전의 횟수 및 에너지 밀도 등이 다 다르며, 각각의 특징과 장단점으로 인해 서로 다른 특정 응용분야에 사용되고 있습니다.
- 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 배터리 – 대표적으로 글로벌 전기 자동차에 사용됩니다.
- 리튬 철 인산염 배터리 – 대표적으로 중국 전기 자동차, 저속 전기 자동차에 사용됩니다.
- 리튬 코발트 산화물 배터리 – 대표적으로 가전제품 류에 사용됩니다.
리튬이온 배터리 계열에 사용되고 있는 원재료는 리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄, 철, 구리, 망간, 흑연 등으로 구성되어 있으며, 이렇게 구성된 폐리튬이온 배터리는 2030년에는 전 세계적으로 1100만 톤에 이를 것으로 알려져 있습니다.
폐리튬 이온 배터리의 후처리
이미 공급된 리튬이온 배터리는 언젠가는 수명을 다 할것으로 예상되며, 폐기 시 단순 매립을 할 경우 대표적으로 배터리 내부에서 이상반응으로 매립지에서 화재가 발생할 가능성이 있다고 알려져 있습니다.
또한 배터리를 잘못 폐기할 경우 중금속으로 인한 환경오염에 노출되며, 패키징이 되어 있다면 폐기물 처리 과정에서 외력에 의한 불안정한 화학반응으로 화재를 일으킬 수 있습니다.
따라서, 수명을 다한 리튬이온 배터리는 안정적으로 회수를 해야만, 재사용을 통해 폐기물을 억제하고 환경오염을 예방하는데 충분한 도움이 되며, 원재료 광물 수요를 충족하는데 안정적인 공급에 기여를 할 수 있습니다.
테슬라 홈페이지에도 배터리 재활용 관련하여 여러가지 이유로 폐기된 리튬이온 배터리는 재활용된다고 알려져 있습니다.
폐리튬이온 배터리 재활용 기술
폐배터리 재활용 프로세스
폐리튬이온 배터리 재활용을 위해서는 먼저 배터리 수집업체에서 중고 배터리를 회수하고 재활용 가능한 배터리를 선별해야 합니다.
전문적인 수집업체가 필요한 이유는 단순 폐기할 경우 부분 손상 가능성, 리소스가 완전히 손실되어 복구가 불가능하기 때문입니다.
이후 원재료를 추출할 수 있는 업체에서 다양한 추출 기술로 원재료 광물을 회수합니다.
즉, 재활용에 적합한 배터리를 분류하고, 배터리를 분리 혹은 소각과 매립, 이외에 재활용 등의 일련의 프로세스를 거칩니다.
폐리튬이온 배터리 재활용 기술
폐리튬이온 배터리 재활용 기술은 여러 가지 방식이 존재하며, 공통적으로는 리튬, 니켈, 코발트 등의 원재료를 제련과 침출 공정을 통해 회수하는 기술이 적용되고 있습니다.
일반적으로 코발트, 망간, 니켈이 대부분 회수가 가능하며, 리튬의 경우 추가 공정을 통해 회수가 가능한 것으로 알려져 있습니다.
고온 제련(건식 야금 기술)과 수용액을 통한 침출 공정(습식 야금 기술)을 거치기 때문에 순도 높은 원재료를 회수하는 기술이 중요하며, 재활용 기술 여부에 따라 회수율이 다를 수 있습니다.
1. 고온 제련 기술(건식 야금 기술)
- 셀 단위로 분해한 후 배터리 전체를 태워 원재료를 회수합니다.
- 금속을 추출하기 위해 1500도씨 이상에서 용광로를 가열하여 폐기물을 정재하는 기술입니다.
- 고온의 제련 과정에서 리튬이 대부분 손실되기 때문에, 니켈이나 코발트만 회수할 수 있습니다.
2. 수용액을 이용한 기술(습식 야금 기술)
- 니켈과 코발트, 리튬을 회수할 수 있으며 건식 야금 기술보다 회수율이 높습니다.
- 세부 공정은 기계적 처리와 화학적 처리로 나뉩니다.
- 기계적 처리 : 금속, 플라스틱, 블랙매스(양극, 음극, 알루미늄, 동박 등)를 위해 파쇄, 분리
- 화학적 처리 : 기계적 처리로 분해된 잔여물들을 추가로 화학적으로 처리, 분리
- 다만, 전처리 과정에서 전극을 분리하는 공정이 필요하고, 수용액 폐수 처리 등과 같은 부수적인 공정들이 필요합니다.
3. 배터리 재사용 기술
- 특정 응용 분야의 에너지 저장장치로 재사용하는 방법입니다.
- 수명이 짧아진 배터리를 태양광, 풍력 등에 설치되는 배터리를 재활용 리튬이온 배터리를 사용함으로써 특정 응용분양에 사용할 수 있습니다.
- 따라서 배터리 리사이클링 측면에서 효율적이며, 장기적으로는 환경오염 예방에 도움을 줄 수 있습니다.
우리나라도 배터리 리사이클링 실증 사업을 추진하고 있습니다. 따라서 폐배터리 재활용 산업 분야가 전체 배터리 산업의 생태계에 일환으로 될것으로 전망하고 있습니다.