전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_25. 11

리튬이온전지를 냉각으로 무력화해 파괴
2025년 안에 시험 플랜트 가동

리튬이온전지(LIB)에 대한 안전한 회수·처분이 곧 실현될 전망이다. 스타트업 E cubed goals(도쿄)는 와세다대학과의 공동 실증을 통해 LIB가 발화하지 않도록 안전하게 폐기하는 기술을 확립했다.

E cubed goals가 개발한 폐기 기술은 냉각에 의해 LIB를 무력화하고 그 상태로 파괴해 처분하는 기술이다. 발화를 막아 안전하게 수집, 보관, 처분할 수 있는 구조를 구축했다. 2025년 내에 시험 플랜트를 설치할 예정이다. 지자체와의 연대를 통해 실용화를 목표로 하고 있다.

스마트폰이나 PC, 전기자동차(EV) 등에 내장되어 있는 LIB는 발화할 리스크가 있다. 사용에 의한 노후화나 회수·처분 과정에서의 충격, 고온에서의 보관 등으로 인해 화재가 발생한 사례는 전 세계적으로 다수 발생하고 있으며, 일본에서도 LIB가 원인으로 보이는 화재가 각지에서 보고되고 있다.

제품평가기술기반기구(NITE)의 발표에 따르면, LIB 탑재 제품이 원인으로 추정되는 국내 사고는 2020년부터 2024년까지 5년 간 1,860건 발생했다. 이 가운데 약 85%에 해당하는 1,587건이 화재로 이어졌다. 특히 6~8월 여름철은 기온이 높아 사고 건수도 많다고 NITE는 경고하고 있다.

E cubed goals는 지자체나 회수 업자와 연대해 대응을 시작한다. 현재 100개가 넘는 지자체로부터 문의가 쇄도. 2025년 내에 플랜트의 시험 운용을 개시할 예정이다. 시범 플랜트 설치를 위해 국내외 펀드와 자동차 분야의 업체로부터 자금을 제공받는다.

-- “폭탄을 나르는 것과 같은 것” --
지자체들이 LIB를 안전하게 폐기하는 기술을 필요로 하는 것에는 이유가 있다. 회수나 운반시의 충격으로 발화할 가능성이 있는 LIB는 취급이 매우 위험하고, 소각 처분도 불가능하기 때문이다.

산업 폐기물의 소각로에서 견딜 수 있는 온도는 섭씨 800도 정도로 알려져 있지만, LIB가 연소되었을 경우에는 3,000도까지 온도가 상승하는 경우도 있다고 한다. 이 때문에 LIB에서 발화하면 소각장 화재로 이어지는 케이스가 존재한다. 현재는 매립에 의한 처분이 일반적으로, 대량의 LIB를 처분하기 위해 광대한 토지가 사용되고 있다.

“폭탄을 나르는 것과 같다”. E cubed goals의 하마사키(濱﨑) CEO는 LIB 회수의 위험성을 이렇게 표현한다. “지자체 및 중간·최종 회수 업자와 협력하면서 LIB를 무력화해 폐기하는 움직임을 본격화하고 싶다”라고 말한다.

-- 냉각의 최적화로 수집∙처분 비용 고려 --
LIB가 발화하는 원인은 활물질 내 산소에 의한 연소 반응이다. LIB는 리튬이온이 전극 사이를 오고 감으로써 방전·충전이 이루어진다. 노후화나 외부로부터의 충격에 의해 회로가 단락(Short)되거나, 과충전·과방전이 지속되면 전지가 발열해 고온이 되어 양극으로부터 산소가 이탈한다. 그 결과, 연소 반응이 일어나 화재로 이어진다.

안전하게 폐기할 수 있는 것은 냉각으로 전지를 무력화시켜면 전기에너지 교환이 일어나지 않기 때문이다. 일정 온도 이하로 LIB를 냉각시키면 전지 내 이온의 움직임이 억제된다. 이 상태에서 처분을 위해 LIB를 파괴해도 전기에너지 방출이 일어나지 않아 연소·폭발에 이르지 않는다. 전지의 셀 구조를 파괴하면 소재로서 안전하게 폐기할 수 있다.

LIB를 냉각으로 무력화해 처분하는 과정에서는 냉각 효율의 최적화가 중요하다. E cubed goals가 구축한 구조에서 수송 등에 필요한 냉각 기능은 통상적인 냉동 설비 정도로, 극저온 설비는 필요 없다. LIB를 최대한 낮은 온도로 냉각하면 작동하지 않게 되지만 수집·처분 비용이 늘어난다.

E cubed goals는 현실적인 운영 비용을 고려한 냉각 온도를 찾기 위해 와세다대학과 협업해 냉각에 의한 LIB의 무력화 및 무력화한 LIB의 파괴에 대해 실험했다. 수집, 운반, 보관, 처분 등, 각 공정에서 최적의 냉각온도는 각각 달라 효율적으로 무력화할 수 있는 냉각 온도와 그 외 파라미터에서 최적인 것을 확인했다.

LIB 중에서도 특히 발화 가능성이 높은 것은 3원계 LIB로 알려져 있다. 3원계 LIB는 양극에 니켈(Ni) 망간(Mn) 코발트(Co)를 함유, 에너지밀도가 높아 일반적인 가전제품이나 EV, PC 등에 널리 사용되고 있다.

E cubed goals는 3원계 LIB를 안전하게 폐기하는 기술에 대한 특허를 신청 중이다. 전지의 무력화를 각 공정에서 최적화하는 온도 파라미터 및 시스템 항목으로 신청했다. 국제특허도 신청, 미국과 유럽을 중심으로 한 해외 사업 전개도 시야에 넣고 있다. “일본에서 플랜트 시험을 실시해 해외로 진출하는 것이 중요하다”(하마사키 CEO)라고 한다. 사업 형태는 보유한 지적 재산 활용을 검토하고 있다. “오픈 플랫폼의 형태로 기술을 제공해 로열티 수입을 얻는 비즈니스를 목표로 한다”(하마사키 CEO).

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목차_Nikkei Electronis_2025.11

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