Nikkei Automotive_2023.3 특집 요약 (p55~59)

변화하는 배터리의 개발 축
피할 수 없는 리사이클에 대응

‘미국과 일본, 유럽의 공장에서 리사이클 재료를 사용한 차량용 배터리를 양산한다'. 이러한 방침을 본격적으로 검토하고 있는 곳이 차량용 배터리 대기업인 엔비전AESC그룹(가나가와 현)이다. 2024년경부터 단계적으로 생산을 시작한다. 파나소닉에너지도 리사이클 재료를 사용한 배터리 양산을 추진하는 등, 에너지 밀도 향상과 비용 절감을 추구해온 차량용 배터리에 새로운 경쟁 축이 생겨나고 있다.

“리사이클하기 쉬운 배터리 개발을 중시해나가겠다”(엔비전AESC그룹의 아카이시(明石) 부사장 겸 CTO(최고기술책임자)). 이러한 방향성의 변화에 대해 아카이시 부사장은 “규제 대응과 자원 확보, 폐배터리 문제 등의 관점에서 배터리의 리사이클은 피할 수 없는 상황이 되었다”라고 말한다.

배터리 업체들은 오랜 기간 에너지 밀도 향상과 코스트 절감에 매진해왔다. 이와 함께 향후에는 리사이클 기술이 경쟁력을 좌우하게 될 전망이다. 엔비전AESC그룹은 배터리의 연간 생산 능력을 2026년에 300GWh로 확대해나갈 계획이다. 이것은 2022년 대비 15배이다. “미국과 일본, 유럽에서 새로운 공장 건설을 추진하고 있으며, 이들 거점에 배터리를 리사이클하는 프로세스를 도입해나갈 방침이다”(아카이시 부사장).

-- 유럽의 규제와 미국의 인플레이션 억제법이 기폭제 --
배터리 업체들이 대응해야 하는 규제는 유럽연합(EU)의 '배터리 리사이클 규제'와 미국의 '인플레이션 억제법'이다. 전자의 골자는 2027년부터 전기자동차(EV)의 리튬이온전지 등을 대상으로 코발트(Co), 리튬(Li), 니켈(Ni) 등 리사이클 재료 사용량을 공개하도록 요구하고, 2030년부터 리튬이온전지가 탑재된 제품에 리사이클 재료 사용을 의무화하는 것이다.

후자에서는 EV 구매자에 대한 세금 공제 조건이 포인트가 된다. 조건 중 하나로 '배터리 재료의 중요 광물 중 조달 가격의 40%가 미국과 자유무역협정(FTA)을 맺는 국가에서 추출 또는 처리되거나, 북미(미국, 캐나다, 멕시코)에서 재활용된 것'이다. 또한 중국을 포함한 우려되는 외국의 사업체가 관여하는 부품이나 중요 광물이 포함될 경우, 공제 대상에서 제외할 방침이다.

EU와 미국이 규제 강화에 움직이는 것은 “EV용 배터리가 에너지 안전보장이나 산업 육성의 관점에서 중요해지고 있기 때문이다”(배터리 업계에 정통한 관계자). 배터리 업계 내에서는 ‘지나치다’라는 목소리도 많지만, 배터리 재료의 재활용과 현지 조달을 강화해나가는 것 외에는 다른 방법은 없을 것이다.

-- 2032년에는 300만톤의 ‘배터리 쓰레기’ --
중장기적인 관점에서는 자원 확보에 대한 대응도 중요하다. 차량용 리튬이온전지의 2022년 시장 규모는 야노(矢野)경제연구소의 전망으로 약 443GWh. 업계 내에서는 500GWh에 육박한다는 의견도 많다. 이것은 전년 대비 2배 안팎의 성장세로, 여전히 확대되고 있다.

차량용 배터리 규모는 10년 이내에 10배까지 커질 가능성이 있다. 자동차 회사의 EV 투입 계획과 배터리 업체의 생산 예정을 고려하면, 3TWh(3,000GWh), 더 나아가 5TWh 규모의 연간 생산량이 될 수도 있다.

수요가 늘어나면 당연히 코발트나 리튬, 니켈과 같은 주요 재료 확보 경쟁이 치열해질 것이다. 재료의 시장 가격도 상승하고 있는 추세이다. 이러한 상황은 높은 코스트가 걸림돌이었던 배터리 리사이클의 추진에 훈풍이 될 것이다.

배터리 리사이클은 폐배터리 문제의 해결책이라는 측면도 있다. EV용 배터리의 내용(耐用)연수는 10~15년으로, 2032년에는 전세계적으로 500 GWh 전후의 폐배터리가 발생할 것으로 보인다. “중량으로 환산하면 200만~ 300만 톤이 될 것이다”(엔비전 AESC그룹)라고 한다.

배터리 리사이클의 능력은 현재 “(전세계적으로) 50만톤 정도”(아카이시 부사장)로, 배터리의 폐기량이 계속 증가하면 처리가 불가능하다. 또한 현재는 폐배터리를 시멘트 재료나 금속 스크랩 등으로 전용하는 리사이클이 대부분이다. 규제 대응이나 자원 확보 등의 관점을 고려하면, 폐배터리를 처리해 다시 배터리 재료로써 사용하는 ‘폐루프(Closed Loop)’ 리사이클이 요구될 것이다.

아카이시 부사장은 “2040년에는 차량용 배터리의 80%가 리사이클 재료를 사용하게 될 것이다”라고 예측한다. 폐루프를 확립하는 데 중요한 역할을 담당하는 것이 배터리 리사이클 기업(리사이클러)의 존재이다. 테슬라의 전 CTO가 설립한 미국의 레드우드 머티리얼즈(Redwood Materials)를 필두로 적극적인 투자를 표명하는 기업들이 늘고 있다.

하지만, 일본을 중심으로 ‘정말 수익을 낼 수 있는 것인가?’라는 불안 때문에 관망을 하는 기업들도 적지 않다. 사업 전개를 주저하는 기업이 안고 있는 불안에 대해 아카이시 부사장은 “‘모호함’에서 온 것이다”라고 분석한다. 리사이클러에게 모호함이란 확보할 수 있는 폐배터리의 양이다. 충분한 폐배터리를 확보하지 못하면 수익을 내기 어렵기 때문이다.

리사이클의 원료가 되는 배터리에는 2종류가 있다. 하나는 폐차 또는 배터리 교환에서 회수된 '중고 배터리'이고, 다른 하나는 제조 시 요구된 품질을 충족하지 못해 출하할 수 없게 된 '불량 배터리'이다. EV의 대수가 많아짐에 따라 전자의 규모가 늘어나고 있지만, 회수량 변동과 품질의 편차가 과제이다. 반면, 후자는 중고 배터리만큼의 규모는 전망하기 어렵지만, 안정적인 양과 품질을 유지하기 쉽다.

-- 불량 배터리만으로도 규모 확보 --
엔비전AESC그룹은 2단계로 대응한다는 전략을 가지고 있다. 우선, 불량 배터리로 재활용 기술 확립 및 리사이클러와의 관계 구축을 추진하고, 이어서 중고 배터리의 대량 리사이클을 추진해나간다는 전략이다.

불량 배터리의 리사이클에 주력하는 것은 리사이클러의 불안을 해소하는 측면이 있다. 쉽게 양을 알 수 있는 불량 배터리라면 리사이클러가 우려하는 모호함을 피할 수 있다. 배터리 생산량이 증가하면 불량 배터리만으로도 “사업 전개하는데 충분한 규모를 확보할 수 있을 것이다”(아카이시 부사장)라고 한다.

차량용 배터리는 일반적으로 생산량의 5~10% 정도가 불량 배터리라고 한다. 불량률을 10%로 가정해보자. 엔비전AESC그룹은 2026년, 배터리 생산량 300GWh 규모를 예정하고 있어, 30GWh가량의 불량 배터리가 발생한다는 계산이 나온다. 불량 배터리만으로도 엔비전AESC그룹의 2022년 연간 생산량인 20GWh가 넘는다.

불량 배터리로 폐루프 리사이클을 하는 이점은 배터리 업체 측에도 있다. EV 전용 배터리에는 ‘높은 에너지 밀도’, ‘높은 내구성’, ‘높은 안전성’, ‘저비용’, ‘급속 충전’ 등, 5가지 성능이 요구된다. “품질이 나쁜 리사이클 재료를 사용하면 이 5가지 성능이 성립하지 않게 된다”(아카이시 부사장)라고 한다.

단일 업체의 불량 배터리의 경우, 사용 중인 재료를 모두 파악할 수 있다. 노후화로 의한 배터리 내부의 편차도 적어, 중고 배터리에 비해 리사이클의 스타트 단계에서 취급하기가 매우 쉽다.

엔비전AESC그룹은 재활용 배터리를 양산하는 초기 단계에서는 “습식(濕式) 정련으로코발트나 리튬, 니켈, 망간(Mn) 등을 회수할 계획이다”(아카이시 부사장). 습식 정련은 배터리를 파쇄해 얻을 수 있는 정극 재료가 혼합된 덩어리나 가루(블랙 매스)에서 각종 원소를 추출하는 방법 중의 하나이다. 엔비전AESC그룹은 우선, 광산 유래의 신품 재료와 같은 수준의 코스트로 하는 것을 목표로 하고 있다.

엔비전AESC그룹은 이미 리사이클 재료를 사용한 3원계(양극활물질의 주성분이 니켈, 코발트, 망산) 리튬이온전지를 시작(試作)했다. 양극재에서 차지하는 니켈의 비율이 80%로 높은, 이른바 ‘하이니켈’ 리튬이온전지이다. 광산 유래의 신품 재료를 사용하는 배터리와 같은 수준의 성능을 실현했다고 한다.

-- 다음 한 수는 ‘다이렉트 리사이클’ --
한 층 더 코스트를 저감하기 위해 엔비전 AESC그룹은 ‘다이렉트 리사이클’에 관한 기술개발도 추진하고 있다. 배터리셀을 구성하는 부자재를 가능한 한 손상시키지 않으며, 에너지도 가능한 한 사용하지 않고 추출해 각각을 재이용하는 것을 목표로 한다. 아카이시 부사장은 “’선물(先物)’로서 도전하고 있지만, 기술적으로는 상당히 어렵다”라고 말한다.

리튬이온전지의 코스트 관점에서는 인산철리튬(LFP)계 배터리와의 비교도 중요하다. 낮은 재료 코스트 때문에 LFP를 선택하는 EV가 증가하고 있지만, “리사이클까지 포함해 고려한다면, LFP는 3원계보다 뒤떨어진다”(아카이시 부사장). LFP에서는 리사이클을 위해 회수할 수 있는 것이 철 등 단가가 낮은 재료에 한정되기 때문이다.

3원계를 축으로 가속화되고 있는 차량용 배터리의 폐루프 리사이클. 엔비전AESC그룹은 “리사이클러 및 재료 업체 등과의 파트너십 구축을 위한 마지막 단계를 맞이하고 있다”(아카이시 부사장)라고 한다.

경쟁업체들도 실용화를 서두르고 있다. 예를 들면, 파나소닉에너지는 미국에서 리사이클 재료를 사용한 차량용 배터리를 2024년부터 양산할 예정이다. 파나소닉에너지의 미국 공장에서 나오는 폐자재를 이용해 레드우드가 구리박과 양극재 리사이클 제품을 제조한다.

리사이클한 구리박을 사용한 배터리를 2024년에 생산하고, 2025년에는 양극재에도 리사이클 제품을 채택해나갈 계획이다. 이 밖에도 수거한 가전을 재이용해 차량용 배터리로 가공하는 것도 검토 중이라고 한다.

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