산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2023.10 특집 요약 (p35~57)

2차 전지 배터리의 재생
축전지로 재사용, 희소 금속 회수

최근 수명이 다한 리튬이온2차전지(LIB)를 재생하는 움직임이 두드러지기 시작했다. 정치형 축전지로 재사용하거나, 리튬(Li)이나 니켈(Ni), 코발트(Co) 등 희소금속을 회수해 리튬이온2차전지의 양극재로 재사용하는 케이스도 나오고 있다.

그 배경에는 공급 국가가 한정되어 있는 희소금속의 부족과 폐기된 리튬이온2차전지로 인한 환경오염 등에 대한 위기감이 있다. ‘전기자동차(EV) 시프트’의 진전을 주시하면서 리튬이온2차전지 재생이라는 새로운 시장으로의 참여를 목표로 기술개발을 추진하는 기업들의 움직임을 취재했다.

Part1. 동향
시장 선점을 위한 기술개발인가, 헛된 꿈을 쫓는 것인가?

세계적인 EV 시프트의 흐름과 함께 수명이 다했거나 제조 공정에서 폐기되는 리튬이온2차전지를 재생하는 움직임이 빠르게 증가하고 있다.

EV 등에 사용되는 리튬이온2차전지는 충∙방전을 반복하면 열화(劣化)되어 EV의 항속거리가 짧아진다. 이 때문에 사용 개시 후 10년 정도에 수명이 다하는 케이스가 많다.

EV의 보급으로 향후 수명이 다한 리튬이온2차전지가 증가하는 것에 대비하기 위해 리튬이온2차전지를 그대로 정치형 축전지로 재사용하는 ‘리유즈(Re-use)’, 수명이 다한 리튬이온2차전지에서 리튬이나 니켈, 코발트 등의 희소금속을 회수해 다시 리튬이온2차전지의 재료로 활용하는 ‘리사이클’을 추진하는 기업들이 증가하고 있다.

-- EV 시프트로 희소금속 부족 --
우선, 수명이 다한  리튬이온2차전지를 재생하는 움직임이 활발해진 배경을 정리해보자.수명이 다한 리튬이온2차전지의 재생을 촉진하는 것은 무엇보다 세계적으로 확대되고 있는 EV 시프트이다. 탄소중립(온난화 가스 배출량이 실질적으로 제로) 움직임에 대응하기 위해 주행 중 CO₂를 배출하지 않는 EV의 생산량, 더 나아가 EV에 탑재되는 리튬이온2차전지의 수요가 급증할 것으로 전망된다.

국제에너지기구(IEA)가 올 4월 26일에 발표한 'Global EV Outlook 2023'에 따르면, 전세계 2022년의 EV(플러그 인 하이브리드차량(PHEV) 포함) 신차(승용차) 판매량은 전년 대비 55% 증가한 연간 1,020만대. 이것이 올해에는 1,400만대에 달할 것으로 전망. 2030년에는 3,690만대로, 휘발유차를 포함한 신차 판매에서 차지하는 비중이 35% 이상에 이를 것으로 추산된다.

이와 같은 EV 판매량 급증은 리튬이온2차전지 재료의 수요가 급속히 확대된다는 의미이기도 하다. 그래서 주목 받고 있는 것이 리튬이온2차전지의 양극재로 쓰이는 리튬과 니켈, 코발트와 같은 희소금속이다.

EV의 보급으로 인해 양극재료의 희소금속 수요는 어느 정도 높아지는 것일까? 미쓰비시(三菱)종합연구소는 2050년까지의 희소금속의 수요량(원소 중량 베이스)을 예측했다. 이 예측에 따르면 2030년에는 리튬이 2022년의 2배 이상, 코발트와 니켈은 3배 정도. 2050년에는 리튬과 코발트가 8배 안팎, 니켈은 10배가 넘는다고 한다.

이처럼 수요가 급격히 높아지는 희소금속은 공급 국가가 편중되어 있어 공급망이 취약하다. 코로나19 확산과 같은 재난과 러시아의 우크라이나 침공에 따른 정정(政情) 불안 등으로 인해 공급이 불안정해질 위험이 매우 높다.

이러한 리스크를 안고 있는 상황에 세계적인 EV 보급이라는 요소가 더해지면 리튬 등 리튬이온2차전지의 재료가 되는 희소금속 공급이 수요를 따라잡지 못하게 될 가능성은 크다. 자원이 부족한 일본은 이러한 재료를 충분하게 입수할 수 있는 루트를 확보하는 동시에, EV에 불가결한 리튬이온2차전지를 안정적으로 공급하기 위해서라도 수명이 다한 리튬이온2차전지의 재생은 불가결하다.

-- 조류를 바꾼 ‘유럽 배터리 규칙’ --
리튬이온2차전지의 재생이 중요시 되고 있는 배경에는 공급망에 대한 불안과 함께 유럽에서 추진되고 있는 규제의 존재도 있다. 유럽연합(EU)의 행정집행기관인 유럽위원회가 도입을 추진하고 있는 축전지의 라이프사이클 전체를 규정하는 ‘유럽 배터리 규칙’이다.

EU 이사회(각료이사회)와 유럽의회는 2022년 12월 9일, 이 규칙의 잠정적인 정치적 합의에 도달했다. 이 규칙은 올 8월 17일 발효되어 2024년부터 순차적으로 적용될 전망이다.

해당 규칙 제8조에는 차량용 축전지에 사용되는 리튬과 니켈, 코발트에 대해, 제조 공정에서 발생한 폐기물, 또는 판매 후 수명이 다한 축전지로부터 회수한 재사용 재료 사용 비율의 최저치를 규정하고 있다. 그 비율은 2031년 이후 리튬과 니켈이 6%, 코발트가 16%. 2036년 이후에는 리튬이 12%, 니켈이 15%, 코발트가 26%이다. 이 최저 사용 비율을 충족하고 있다고 기술 문서에 증명하는 것이 요구된다.

문서의 형식 등 자세한 내용은 향후 제정되는 위임법으로 정해지기 때문에 불명확한 부분이 남아 있다. 그러나, 자동차의 거대 시장인 유럽이 축전지 양극재의 재사용에 대한 규제에 본격적으로 나서는 것임에는 틀림없어 일본 기업들도 리튬이온2차전지 재생을 사업화하는 데 있어 이 유럽 배터리 규칙을 전제로 하고 있다.

-- EV 보급에 의한 CO₂ 저감에 불가결 --
또 하나 중요한 것이 리튬이온2차전지의 재생을 통한 환경부하 저감이다. EV의 보급과 이에 따른 CO₂ 배출량 저감에는 리튬이온2차전지의 재사용이나 재활용이 불가결하다는 견해가 강하다. 리튬이온2차전지 제조 시 CO₂ 배출량이 매우 크기 때문이다.

리튬이온2차전지에 포함되는 리튬과 니켈, 코발트 등의 희소금속은 채굴에서 정제까지 대량의 CO₂ 배출이 수반된다. EV 1대를 제조할 때의 CO₂ 배출량은 가솔린차의 약 2배이며, 그 대부분이 리튬이온2차전지 제조시의 배출이라는 시산도 있다. 즉, 수명이 다한 리튬이온2차전지로부터 리튬 등의 희소금속을 회수·재사용해 환경부하를 저감하지 못한다면 가솔린차보다 환경부하가 작다는 EV의 존재 의의가 훼손될 수 있는 것이다.

재료과학과 희소금속 프로세스 공학 등을 전문으로 하는 도쿄대학 생산기술연구소의 오카베(岡部) 소장은 “환경보전을 위해 희소금속의 리사이클 프로세스 기술 개발은 필요하다. 일본에서는 희소금속의 자원량에 대해서만 논의되고 있지만, 실제로는 환경 코스트야말로 중요시해야 한다”라고 주장한다.

금속은 광석에서 제련하는 것이 폐기물에서 회수하는 것보다 비용이 낮다. 그러나 광석에서 유용한 금속을 추출하는 과정에서 대량의 유해물이 발생하고, 그 처리에 막대한 비용이 소요된다. 반면, 수명이 다한 리튬이온2차전지 등에서 회수하면 광물 유래의 유해물이 발생하지 않는다. 특히 대기업들은 코스트가 허락하는 한 재활용해야 한다고 오카베 소장은 강조한다.

“유럽에서는 축전지의 스크랩이 대량으로 배출되는 상황에 대한 위기감이 있다”. 축전지 재료의 제조·판매와 축전지의 재활용을 추진하는 벨기에의 Umicore에서 축전지의 조사 및 연구를 담당하고 있는 야기(八木) 씨는 이렇게 말한다. “EV가 보급되고 있는 유럽에서는 리튬이온2차전지를 중심으로 수명이 다한 축전지의 취급이 문제가 되고 있다.

유럽 배터리 규칙 등을 통해 리사이클을 의무화해 두지 않으면, 수명이 다한 축전지가 방치되어 발화해 사고 등으로 이어질 리스크가 발생할 수 있다는 우려도 있다”(야기 씨). 리튬이온2차전지의 안정적 공급과 별개로 환경부하 저감을 위해서도 리튬이온2차전지 재생은 필수적이다.

-- 희소금속 회수 방법에는 '건식'과 '습식' --
그렇다면 리튬이온2차전지의 재생에는 어떤 방법이 있을까?

하나는 정치형 축전지로 재사용하는 ‘리유스’이다. 회수한 리튬이온2차전지를 검사 및 수리를 한 후 다시 제품화하는 것이다. 날씨나 환경에 따라 발전량이 크게 변하는 태양광발전이나 풍력 발전 등 재생 가능 에너지 발전소에 설치해 발전량을 안정화시키는 축전지로 사용되는 경우가 많다.

예를 들면, 다이헨은 2022년 9월부터 수명이 다한 리튬이온2차전지를 재사용한 ‘리유스 배터리 패키지’ 서비스를 개시. 공장이나 사무실에서의 재생에너지 발전 보조역 등으로 판매하고 있다.

스미토모상사(住友商事)는 수명이 다한 리튬이온2차전지를 활용한 전력회사의 계통전력용 서비스를 제공하고 있다. 2015년부터 가고시마(鹿児島) 현 사쓰마가와우치(薩摩川內) 시의 가미코시키시마(上甑島)에 EV용의 수명이 다한 리튬이온2차전지를 재사용한 축전 시스템과 태양광발전소를 설치해 실증시험을 실시. 2024년 4월부터는 상용 운용을 예정하고 있다.

또 다른 방법은 수명이 다한 리튬이온2차전지IB에서 희소금속을 회수해 다시 리튬이온2차전지의 재료로 활용하는 리사이클이다. 희소금속의 회수 방법은 크게 건식정련과 습식정련으로 나뉜다.

리튬이온2차전지에는 양극 재료로 이용할 수 있는 리튬, 니켈, 코발트 외에도 수지와 흑연, 철(Fe), 알루미늄(Al) 등 다양한 물질이 포함되어 있다. 우선은 열처리로 유해한 전해질 등을 무해화해 발화나 해체 작업 중 발생할 수 있는 감전 등의 위험성을 배제하고 수지나 흑연 등 불필요한 물질을 소각한다.

열처리 후의 상태에서 파쇄한 다음 리튬이나 니켈, 코발트 등의 양극재료를 포함하는 부분과 포함하지 않는 부분을 선별. 재사용할 가치가 있는 구리(Cu) 등을 추출해 리튬, 니켈, 코발트를 포함한 분체(粉體) ‘블랙매스(Black mass)’를 정련한다.

이 블랙매스를 고온에서 용융시켜 온도와 산소량을 조절해 금속 원소를 환원하는 것이 '건식정련'. 블랙매스에서 황산 등을 이용해 리튬 등 금속 이온을 녹여내고 추출제를 이용해 금속 원소를 추출·분리하는 것이 '습식정련'이다.

습식정련 중 현재 주류인 것이 '용매추출법'. 이것은 본래 섞이지 않는 두 종류의 액체를 섞어 일단 '유화'시키고, 그 두 종류의 액체가 분리되는 현상을 이용해 서로 다른 금속 원소를 분리·회수한다.

건식정련의 경우, 공정이 적고, 추출제나 기름 등을 사용하지 않아 일반적으로 습식에 비해 정련 비용도 낮다. 하지만, 리튬과 니켈, 코발트 등을 개별적으로 추출하려면 건식정련만으로는 완결되지 않아 습식정련도 필요하다.

예를 들면, 건식정련으로 니켈과 코발트의 혼합액을 추출해 양극재료로 이용하고 있는 스미토모금속광산(住友金属鉱山)은 제련과 양극재료의 제조도 담당하고 있으며, 건식정련의 채택으로 효율화와 저비용화를 도모했다. 또한 간토전화공업(関東電化工業)은 이 과정에서 발생하는 리튬이 포함된 슬래그로부터 습식제련으로 리튬을 회수하고 있다.

한편, JX금속서큘러솔루션즈(후쿠이 현)와 DOWA에코시스템(도쿄), 에멀션플로우테크놀로지(이바라키 현) 등은 습식정련을 채택. 용매 추출법을 통해 니켈, 코발트에서 리튬의 회수까지 처리하고 있다.

-- 과제는 리튬이온2차전지와 블랙매스의 개체 차이 --
재사용과 재활용의 기술적 과제는 거의 해결된 상태로, 기업들은 사업화를 위해 스탠바이 상태이다. 현재 최대 과제는 재사용하는 리튬이온2차전지와 입수한 블랙매스의 개체 차이가 크다는 점. 또한, 그것들의 입수처도 한정적이라는 점이다.

리튬이온2차전지는 제조하는 업체에 따라 크기와 형상, 제어하기 위한 신호 등이 다르다. 또한 수명이 다한 배터리의 열화 상태도 일률적이지 않다. 정치형 축전지로 재사용할 경우, 복수의 폐기된 리튬이온2차전지를 접속할 필요가 있어 이러한 개체 차이 문제를 어떻게 해결하는지가 하나의 과제다.

다이헨과 스미토모상사는 닛산의 EV ‘리프’의 수명이 다한 리튬이온2차전지를 재사용하고 있어 리튬이온2차전지 제조사에 따른 차이 문제에서 벗어나 있다. 하지만 여전히 열화 상태 등의 개체 차이는 있기 때문에 스미토모상사는 각 개체의 상황에 맞춘 최적의 접속 및 배치에 대해 연구하고 있다. 도요타자동차와 JERA는 개체 차이가 있는 이종 배터리를 조합해 제어할 수 있는 독자적인 축전 시스템을 개발했다.

희귀금속 회수에서도 개체 차이는 해결해야 할 과제이다. 리튬이온2차전지에 사용되는 금속이나 기타 재료도 제각각 달라 열처리 시의 온도 조절이나 용매 추출 시의 수소이온농도(pH) 조정 등에 노하우가 요구된다.

리튬이온2차전지뿐만 아니라 블랙 매스에도 개체 차이가 있다고 한다. 2025년 안에 수명이 다한 리튬이온2차전지로부터의 희소금속 회수의 사업화를 목표로 하고 있는 미쓰비시머티리얼도 블랙매스의 개체 차이 때문에 어려움을 겪고 있다.

“블랙매스에 따라 니켈과 코발트의 비율과 불순물의 종류와 양, 입자의 미세함 등이 크게 다르다. 실증시험에서 블랙매스를 침출(浸出)하는 산이나 추출제의 사용량 등의 최적화를 도모하고 있다”(미쓰비시머티리얼).

또한 블랙매스의 개체 차이도 리튬이온2차전지와 마찬가지로 공급하는 기업에 따라 차이가 크다고 한다. 유통량이 풍부해지고 입수 루트를 좁힐 수 있게 되면 어느 정도 해소될 수 있을 것으로 전망되지만, EV 보급의 과도기이기 때문에 수명이 다한 리튬이온2차전지의 유통이 적은 상황에서는 큰 과제라고 할 수 있다.

시장의 움직임을 개관하면 EV의 생산 및 판매 대수는 앞으로 상당한 속도로 증가할 것임이 틀림없다. 하지만, 이것은 각국의 보조금 제도 등이 뒷받침하고 있는 측면도 있다. 충전소 등 기반 정비가 아직 충분하지 않은 상황까지 감안하면 과연 지금의 추세대로 EV가 보급될지는 불투명하다. 더구나 수명이 다한 배터리가 시중에 나도는 것은 그 다음 이야기이다.

한편, 지금부터 기술 개발에 임해 두지 않으면, 막상 시장이 구축되었을 때에 ‘수명이 다한 리튬이온2차전지로부터의 희소금속 회수’라고 하는 블루오션에 참가할 기회를 놓칠지도 모른다. 허황된 꿈을 쫓는 것으로 끝나는 것이 아니라, 시장을 선점하기 위한 선행투자를 성취하려면 속도감 있는 기술 개발과 신중한 판단이 동시에 필요할 것이다.

Part2. 축전지로 재사용
재생에너지발전의 안정화에 기여, 전력계통의 조력자 역할도

수명이 다한 리튬이온2차전지를 재사용한 정치형 축전지를 이용해 태양광발전 등 재생에너지를 백업하는 서비스의 사업화에 나서는 기업들이 눈에 띄기 시작했다.

Part 3. 희소금속 회수
'건식'과 '습식'을 구분해 사용, 리튬 등 양극재료로 순환시킨다

축전지로 재사용하는 것 외에도, 수명이 다한 리튬이온2차전지를 재생하는 방법은 있다. 바로 희소금속의 회수(리사이클)이다.

 -- 끝 --

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배터리 재생
Part 1. 동향 -- 시장 선점의 기술개발이냐 ‘김칫국’이냐, 리튬이온 2차전지 재생 도전
Part 2. 축전지로서 재이용 -- 재생에너지 발전의 안정화에 기여, 전력계통의 조력자 역할도
Part 3. 레어 메탈을 회수 -- '건식'과 '습식'을 구분하여 Li 등 양극 재료로 순환시키다.
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