전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2022.3 특집 요약 (p26-49)

리튬이온배터리(LIB) 리사이클, 대약진
그림의 떡이 실제 비즈니스로

제1부 동향
사업 규모가 단숨에 수십 배, 배터리 공장의 ‘입도선매’ 진행

전부터 ‘도시 광산’이라고 불리면서도 20년 가깝게 실현되지 않은 ‘환상’의 리튬 이온 2차전지(LIB)의 리사이클 사업에 다수의 사업자가 거액을 투자해 왔다. 사업이 궤도에 오르면, LIB가 안고 있는 많은 과제가 큰 폭으로 개선되고, 전기자동차(EV)가 분출하는 이산화탄소(CO₂)도 크게 줄어든다. 다만 일본의 배터리 업체의 상당수는 아직 ‘모기장 밖’에 있다.

전세계적으로 차량용 리튬이온 2차전지(LIB)의 리유스나 리사이클 사업에 참가하는 움직임이 잇따르고 있다. 22년 초반의 처리량은, LIB 셀에서 많아도 수만 톤/년이지만 2025년에는 150만 톤/년으로 100배 전후로 증가할 전망이다.

-- Li, Ni, Co의 가격 상승 지속 --
배경에는 (1)LIB 자원의 공급 핍박에 대한 불안, (2)LIB의 제조 불량품이나 차량탑재용 배터리로서의 역할을 끝낸 퇴역 LIB가 향후 폭발적으로 증가하고, 그 폐기 처분 문제가 표면화되는 것에 대한 불안, (3)LIB의 제조 시에 배출되는 CO₂가 상당히 많고, 그 결과로 전기자동차(EV) 제조 시의 CO₂ 배출량 저감에 대한 사회적 압력이 높아질 것으로 예상되는 점 등을 들 수 있다.

(1)은 이미 숫자로 나타나고 있다. 21년에는 자동차 업체의 EV나 그 축전지인 LIB에 대한 거액 투자 발표가 잇따랐다. 도요타자동차를 포함한 주요 자동차 업체와 대형 배터리업체의 LIB 제조에 대한 총 투자액은 발표된 것만 10조 엔이 넘었다. 30년 시점의 LIB의 연간 계획량 합계는 5TWh(5000GWh)에 달할 것으로 보인다.

그리고 그 결과로서 LIB의 각종 자원, 예를 들면 Li, 니켈(Ni), 코발트(Co)의 시장 가격이 폭등하고 있다. Ni는 10년 만에 최고가를 기록. Li는 탄산리튬(Li2CO3)이 22년 2월초 시점에서 1kg 당 약 6,700엔으로, 20년 후반의 약 9배, 18년 전후의 가격 급등 시와 비교해도 2배 이상으로 비정상적인 고가가 되었다.

-- Li의 공급 부족은 10년 이상 계속된다? --
Co와 Ni은 발굴 가능량이 한정적이기 때문에 공급 압박은 당분간 계속될 것으로 보인다. 한편, Li에 대한 견해는 나뉘고 있다. Li의 발굴 가능량은 매우 많기 때문에 절대량이 부족하거나 고갈될 가능성이 없기 때문이다. 구체적인 예측에서도 21년 중반까지는, 23년 이후에는 공급량이 크게 늘어나 가격이 크게 떨어질 것이라는 낙관적인 전망이 많았다. 대부분의 배터리 업체는 자원 공급원과 장기적인 상대계약을 맺고 있기 때문에 단기적인 시장가격 변동은 거의 없다.

그러나 가격은 수요와 공급의 균형으로 결정된다. Ni이나 Li의 발굴부터 LIB 전용으로 제련, 정제할 때까지는 1년 가까이 걸린다. 특히 남미의 염호 등에서의 Li 공급은, 현지에 트럭이 출입하기 위한 도로 정비 등도 포함하면 추가적으로 몇 년의 리드타임이 필요해 급격한 수요 변동에는 대응할 수 없다. 그 EV의 수요 예측은 시장조사 회사마다 크게 차이가 있어, 자원을 공급하는 측에서는 고민스러운 상황이다. 수요가 예측을 초과하면 수급 불균형이 지속되면서 가격 폭등이 이어지게 된다.

실제 자동차 업체의 EV에 대한 대형 투자 발표가 잇따른 21년 후반에는, 지금까지의 낙관적인 분위기가 일변해 Li의 공급 부족이 당분간 계속된다고 예측하는 조사기관이 많아지고 있다. 일부 보도에서는 “적어도 30년까지는 공급이 부족하다” “반영구적으로 부족하다”라고 예측한 조사회사나 투자회사도 있다고 전하고 있다. 22년 1월에는 세르비아 정부가 호주의 Rio Tinto가 추진하던 약 24억 달러 규모의 리튬 광산의 개발 프로젝트 인가를 환경보호를 이유로 취소한 것도 당분간의 수급 상황의 압박에 박차를 가한 것으로 보인다.

-- 중국은 연간 10만 톤 이상의 쓰레기로 --
자원의 공급과는 반대로 위에 기술한 (2)의 퇴역 LIB의 폐기 처리 문제도 심각하다. 1GWh 분량의 LIB 셀은 약 5000톤. 30년에는 연간 150만~600만 톤의 LIB 셀이 당초의 역할을 끝내고 폐기될 가능성이 있다고 예측되고 있다.

그러나 LIB는 폐기 자체가 쉽지 않다. 전기가 남아 있는 LIB를 방전시키지 않은 채 무리하게 파쇄하면 단락되어 화재가 발생할 우려가 있다. 일반 쓰레기 소각로에서 소각도 할 수 없다. 전해액에 포함되는 육불화인산리튬(LiPF6)이 열분해되면서 강한 독성이 있는 오불화인산(PF5)이 발생하기 때문이다. 게다가 PF5는 물과도 격렬하게 반응해 유해한 불화수소(HF) 가스 등도 발생한다.

“EV 보급이 빨랐던 중국에서는 이미 퇴역 LIB가 연간 10만 톤을 넘으면서 사회 문제가 표면화하고 있다”(이토추상사). 당장 대책을 추진하지 않으면 퇴역 LIB가 급증하는 25~26년 이후에는 전세계가 이 문제에 직면하게 된다.

-- EV 제조에 2배의 CO₂ --
LIB의 과제는 아직 있다. (3)제조 시의 CO₂ 배출량 문제다. LIB의 상당수는 Li 외에 Ni나 Co 등 고가의 금속을 사용하고 있는데, 이러한 금속은 채굴부터 제련, 정제까지 대량의 CO₂를 배출한다. 예를 들어 Co를 1톤 정제하는데 40톤이 넘는 CO₂를 배출한다. Ni도 10톤을 배출한다. Li2CO3는 염호 유래의 경우는 5톤으로 다소 적지만, 광산 유래라면 10~15톤으로 많아진다.

그 결과 EV 1대를 제조할 때 CO₂ 배출량은 가솔린차의 약 2배가 된다. 초과 분의 대부분은 LIB 제조 시의 CO₂ 배출이다.

물론 EV는 주행 시에 배출하는 CO₂가 가솔린차에 비해 적다. 다만 전력원이 재생가능 에너지가 아닐 경우, “11만 km를 주행하지 않으면 CO₂ 배출량 상에서는 가솔린차에 대한 우위를 주장할 수 없다”(스웨덴 볼보).

이 시산에서는 승용차의 폐차까지의 평균 주행거리를 20만 km라고 가정하고, 최종적으로는 EV의 손을 들어줬다. 그러나 EV는 일반적인 이미지보다는 CO₂ 배출량이 상당히 많다.

-- 자원의 순환으로 3가지 과제에 대처 --
이들 LIB의 과제 (1)~(3)를 크게 경감할 가능성이 있는 대책이 LIB의 리유스와 리사이클이다. 특히 리사이클에서는 LIB 제조 시에 투입한 각종 재료를 재생해 재차 LIB의 제조에 사용하는 ‘자원의 순환’을 통해 금속원소의 공급이나 가격의 안정화에 공헌할 수 있다. 게다가 골치 아픈 쓰레기였던 퇴역 LIB가 도시 광산의 유망한 ‘광석’으로 변모한다. EV 시장이 포화된 후에는 금속원소의 신규 채굴량을 크게 줄일 수 있는 가능성도 있다.

금속자원의 리사이클 프로세스에서 배출되는 CO₂는 광산에서 신규로 채굴해 제련, 정제하는 경우보다 적다. 게다가 향후의 기술 혁신으로 그것을 크게 줄일 수 있을 전망이다.

리사이클 사업을 생물의 혈액 등 순환기계에 비유해 ‘정맥’ 사업으로 보는 배터리 업체도 나왔다. LIB의 제조 프로세스가 ‘동맥’이고, 퇴역 LIB의 재료를 재생하는 리사이클 프로세스가 ‘정맥’이다. 이들 프로세스가 혈액의 CO₂를 산소(O₂)로 치환하는 순환기의 기능을 닮았다는 것이다.

-- LIB의 순환 경로에 3개의 "R" --
이 LIB의 자원 순환을 조금 자세히 보면, 그 순환 경로는 크게 3개의 ‘R’로 나뉜다. (i)차량용 배터리 팩을 그대로 고정형 축전지 등 다른 용도로 사용하는 ‘Repurpose’, (ii)배터리 팩을 분해해 셀을 선별하고 그것을 다시 배터리 팩에 사용하는 ‘Reuse’. (iii)배터리를 재료까지 분해하고 신규 배터리 제조에 이용하는 ‘Recycle’이다.

이 중 Repurpose는 비교적 새로운 LIB의 사용법이다. 배터리 팩의 분해 등을 하지 않기 때문에 추가 비용이 매우 낮다는 이점이 있는 한편으로, 최근까지는 성능이 열화한 배터리 셀을 포함한 배터리 팩을 그대로 사용하는 것은 정치형 축전지라고 해도 합리적이지 않다고 생각했기 때문이다.

구체적으로는 성능이 열화된 배터리 팩은 내부의 셀 용량이나 전기 저항치에 큰 편차가 있다. 특히 전압이나 전류가 이상치가 된 셀이나 배터리 팩은 다른 셀이나 배터리 팩에도 악영향을 미칠 수도 있다. 그것이 '신구 배터리를 섞어 쓰면 안 되는’ 이유이기도 하다.

다만 최근에는 배터리의 제어를 연구함으로써 Repurpose도 ‘금기’의 사용법은 아니게 되었다.

-- 비정상 모듈은 즉시 오프 --
이 Repurpose 사업의 전개에 적극적인 것이 이토추상사나 마루베니 등 종합 상사이다. 이토추상사는 중국의 기업과 제휴해, 그 기업 경유로 회수한 전동버스 전용 배터리 모듈을 이용한 정치형 축전지 시스템 ‘Bluestorage’를 개발했다. 국내 초호기는 야마구치현에서 가동시켰다고 한다. “배터리 모듈의 진단과 선별은 제휴 기업이 하고, 그 기업으로부터 A등급을 공급받고 있다”(이토추상사).

이토추상사는 배터리 성능의 열화나 불균형의 영향을 회피하는 아이디어로서, 배터리 모듈의 상태를 상시 모니터한다. 특히 열화 정도가 큰 모듈이 있는 경우는 그것을 접속한 계열을 통째로 오프로 해서 시스템 전체에 영향을 주지 않도록 한 점을 든다.

-- 차량탑재 시대의 말로, 셀과 대화 --
마루베니가 출자한 미국 B2U Storage Solutions도 Repurpose, 즉 차량탑재용 배터리 팩을 그대로 정치형 축전지 시스템의 배터리로서 이용한다. 마루베니의 경우는 이토추상사의 제휴기업이 하고 있는, 이용 전의 배터리 팩의 진단이나 선별도 하지 않는다고 한다.

한편, 이용 시에는 상태 감시의 눈을 배터리 팩, 배터리 모듈, 또 모듈 내의 개개의 셀에까지 확대했다.

배터리 팩 내부의 셀 상태를 아는 수단으로서는 CAN(Controller Area Network)의 통신 프로토콜을 이용하고 있다고 한다. 말하자면, 배터리 팩이 EV에 탑재되었을 때와 동일한 말을 사용해, 셀이나 그것들이 접속된 계열의 상태를 파악, 제어하고 있는 것이다.

B2U는 미국에서 독자적으로 배터리 팩을 회수하고 있다. 현시점에서는 닛산자동차의 EV ‘리프’의 배터리 팩을 주로 사용하고 있다고 보여지지만, ‘특정 벤더의 배터리에 의존하지 않도록 하는 전략’으로, 앞으로는 여러 벤더의 배터리 팩을 사용해 간다고 한다.

-- 진입 장벽의 높이가 역효과? --
이전부터 있는 리유스 사업자의 대표격은, 닛산자동차와 스미토모상사가 2010년이라는 이른 시기에 공동 출자해 설립한 4R Energy다. 그러나 LIB의 리유스나 리사이클 사업은 시작이 빠른 것이 반드시 유리하게 작용하지는 않는다. 그 이유는 발매된 EV에서 일정한 양의 퇴역 LIB가 나올 때까지 10년 전후의 시간이 걸리기 때문이다.

실제로 4R Energy가 후쿠시마현 나미에초에 재제품화를 위한 공장을 가동시킨 것은 2018년이다. 그 후에는 재생한 배터리 팩으로 몇 개의 정치형 축전지 시스템을 구축하거나 재생 차량탑재용 배터리 팩의 판매를 시작하고 있지만 사업이 순조롭게 확대하고 있는 모습은 아니다. 스미토모상사는 “현시점에서의 사업 규모에 대해서는 답할 수 없다”라고 말한다.

4R Energy는 “공장 가동까지의 8년을 배터리의 잔존 용량 등의 상태를 알기 위한 노하우 축적에 충당하였고, 그것이 후발 경쟁 타사와의 큰 차별화 요인이 되었다”라고 말한다. 실제로 현재 강력한 라이벌이 될 리유스 사업자는 나오지 않았다.

다만 그러한 높은 참가 장벽이 결과적으로 4R Energy에게 역효과로 작용할지도 모른다. 이유는 크게 두 가지다. 스미토모 상사는 “앞으로는 리프의 배터리 이외로도 확대할 계획이다”라고 말한다. 그러나 그 경우 지금까지 축적해 온 리프 전용 LIB의 노하우가 타사의 배터리에도 유효하다고는 할 수 없는 것이 한 이유다. 또한 리유스 사업의 ‘동료’가 있다면, 그들 사업자 사이에 노하우를 공유하는 방법도 있었을 테지만 그것이 불가능하다.

또 다른 이유는 이 1~2년 정도의 얼마 안 되는 사이에 전세계에서 EV 전용 LIB의 리사이클 사업에 대한 관심이 급격하게 높아져, 세계적인 대기업부터 벤처기업까지 다양한 사업자가 각각 수백억~수천억 엔 규모의 거액을 투자해 다수 참가하고 있기 때문이다. 비용 삭감을 이유로 배터리 모듈을 갑자기 파쇄해 버리는 요즘의 리사이클 사업에는 셀의 상태를 아는 노하우가 도움이 되지 않는다.

Repurpose에는 추가 비용이 거의 들지 않는다는 강점이 있지만, 리유스는 배터리 팩의 분해와 재제품화에 적지 않은 비용이 든다. 리사이클 사업자와의 ‘퇴역 LIB 쟁탈전’이 본격화되었을 때 살아남을 수 있을지는 불투명하다.

-- 리사이클 사업 규모가 갑자기 수십 배로 --
리사이클 사업에 대해서는 1~2년 전까지는 벨기에 Umicore의, 퇴역 LIB를 연간 7000톤 처리하는 사업 규모가 눈에 띄는 정도였다. 그런데 최근에 참여, 혹은 사업 규모를 발표한 사업자는 규모가 두 자릿수 차이가 난다.

예를 들면, 미국 테슬라의 전 CTO가 설립한 미국 Redwood Materials는 20억 달러를 투자해 25년까지 100GWh(약 50만 톤) 규모의 처리 공장의 가동을 계획하고 있다. 현시점에서 적어도 상위 6사까지는 25년 전후에 퇴역 LIB를 연간 10만 톤 규모로 처리할 계획이다.

참가 사업자의 ‘본업’은 다방면에 걸친다. 일용품 리사이클 사업자, LIB 업체, 화학업체, 그리고 최근에 철강사업에서 LIB의 양극 재료 제조에 막 손을 댄 한국 포스코 같은 기업도 있다. Ni의 광석을 제련, 정제하는 ‘비철금속’이라고 불리는 업체도 참가하고 있다.

그 중에는 스위스 Glencore나 중국의 화유코발트(Huayou Cobalt)와 같은 세계의 Co 자원 거래를 좌지우지하는 기업도 포함되어 있다. 이 리사이클 사업에서 타사에 리드를 빼앗긴다면, 언젠가는 광산 유래의 Co에 대한 수요가 없어진다는 위기감이 있는 것인지도 모르겠다.

-- 기가 팩토리를 차례로 입도선매 --
-- 공항의 운용 전략에서 배우다? --
-- 당분간은 5~30%의 불량품 목표 --
-- 공정의 기술 혁신이 진행 --
-- ‘사업 자체는 흑자’와 Redwood --
-- 행정이 재료 이용을 의무화 --

제2부 기술혁신
재생 양극은 신품보다 고성능일까? Li 회수의 경제성에도 전망

차량용 리튬이온 2차전지(LIB)가 당초의 역할을 끝낸 ‘퇴역 LIB’의 리사이클 기술이 급속히 변하기 시작했다. 공정이나 비용, CO₂의 배출량을 압축하는 것과 동시에 보다 부가가치가 있는 재료를 합성한다. 재생한 양극 재료가 신품보다 양극으로서의 성능이 높다는 보고도 나왔다. 경제성이 없었던 Li의 회수에도 다양한 기업이나 연구기관이 착수하고 있다.

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