‘넷 제로(Net Zero)’는 오랫동안 기후 변화의 영향을 완화하기 위한 중요한 목표로 여겨져 왔습니다. 최근 글래스고에서 열린 COP26 정상회의에서는 이 목표를 실현하기 위한 기본 틀이 마련되었습니다. 30개 이상의 국가 정부가 서명한 선언문에 따르면, 주요 시장에서는 2035년까지, 그 외 지역에서는 2040년까지 모든 신형 승용차와 밴이 100% 무배출 차량이 될 것이며, 이는 2050년까지 탄소 순배출 제로 목표를 달성하는 데 전기차가 수행하는 결정적인 역할을 강조하고 있다.
교통 부문 탄소 배출 감축 노력에서 전기차가 차지하는 중요성은 각국의 국내 정책에서도 더욱 뚜렷이 드러나는데, 바이든 행정부는 2030년까지 미국 내 전기차 판매 비중을 50%로 끌어올리겠다는 행정명령을 발표했다. 영국, 노르웨이, 뉴질랜드를 비롯한 많은 국가들이 소비자들이 전기차로 전환할 수 있도록 전국적인 인센티브를 제공하기 시작했다. 2022년 2월 말 기준 영국 도로에는 42만 대 이상의 순수 전기차가 운행 중인 것으로 보고되었으며, 인센티브와 시장 압력, 그리고 고공해 차량에 대한 규제 등이 전기차 부문의 급속한 성장을 지속적으로 견인하고 있다.
그러나 이 분야가 현재와 같은 성장세를 이어가려면 반드시 극복해야 할 중대한 장애물이 있습니다. 전기차의 차체 대부분은 비교적 풍부한 자원에 주로 의존하지만, 에너지 저장 장치는 사정이 완전히 다릅니다. 현재 전기차에 사용되는 배터리의 수명은 최대 10~20년에 달하지만, 많은 제조사가 5~7년만 보증을 제공하고 있습니다. 이러한 점을 고려할 때, 2021년부터 2030년 사이에 1,285만 톤의 전기차 리튬이온 배터리가 수명을 다해 폐기될 것으로 추정됩니다.
원자재에 대한 수요 증가로 인해 현재 배터리 제조에 필수적인 리튬 염의 가격에 이미 엄청난 영향이 미치고 있습니다. S&P 글로벌 커모디티 인사이트(S&P Global Commodity Insights) 에 따르면, 탄산리튬 가격은 2020년 2월부터 2022년 2월까지 2년 동안 톤당 9,000달러에서 55,000달러로 상승한 것으로 추정됩니다. 전기 운송 수단에 대한 수요가 끊임없이 증가하고, 가정용 태양광 발전 설비와 연계된 배터리 등 에너지 저장 응용 분야가 확대되는 가운데, 칠레와 세르비아에서 지역 주민들의 반대로 인해 예정된 광산 개발 계획이 차질을 빚으면서 이 같은 가격 상승은 배터리 생산 비용을 크게 증가시킬 수 있으며, 이는 해당 기술의 보급 속도를 늦출 수 있습니다.
에너지 밀도가 더 높고 수명이 더 긴 배터리를 개발하면 단위당 소재 사용량을 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다. 따라서 이 분야의 혁신은 배터리 생산 증가로 인해 천연 자원에 가해질 부담을 어느 정도 완화해 줄 것으로 보입니다. 지난 수십 년간 이 분야의 개발은 꾸준히 진전되어 왔습니다. 최근의 정책 변화로 인해 향후 몇 년간 성장이 더욱 가속화될 전망이며, 포드, 메르세데스-벤츠, 폭스바겐과 같은 제조업계 거대 기업들이 잇달아 이 분야에 뛰어들고 있습니다. 개발에 대한 막대한 추진력이 예상되지만, 끊임없이 증가하는 전기차 수요를 충족시키기에는 이 정도만으로는 부족할 가능성도 있습니다.
수명이 다한 배터리를 재활용하여 귀중한 원자재를 회수하는 것은 수요를 충족하는 데 일조할 것이며, 공급 부족으로 인한 높은 원자재 비용으로 인해 경제적 타당성이 점차 높아질 뿐만 아니라 사회적·정치적으로도 매력적인 방안이 될 수 있다.
2022년 2월 초, 글렌코어(Glencore)와 브리티시볼트(Britishvolt)의 합작 법인은 잉글랜드 남동부에 연간 10,000톤의 리튬이온 배터리를 처리할 수 있는 재활용 공장을 건설할 계획을 발표했다. 이 시설은 2023년 중반까지 가동을 시작할 것으로 예상되며, 현재 영국 재활용 시장에서 존재하는 공백을 메우는 데 기여할 것입니다. 처리 능력이 확보되면, 재활용 기술의 혁신은 배터리 내 고부가가치 소재 성분을 재생하는 데 결정적인 역할을 할 것입니다.
전통적으로 리튬이온 배터리 재활용 방법에는 전극을 기계적으로 파쇄한 후, 파쇄된 재료를 결합제를 용해시킬 수 있는 화학 에칭제나 용매로 처리하는 과정이 포함됩니다. 그 밖의 알려진 재활용 방법으로는 열금속학적 및 습식금속학적 금속 회수 방식이 있습니다.
고온 용광로를 이용해 구성 금속 산화물을 환원하여 합금을 만드는 고온 야금 공정은, 일반적으로 배터리 중량의 최대 50%를 차지할 수 있는 전해액과 플라스틱의 회수와 양립하기 어렵습니다. 중요한 점은, 이 공정으로는 현재 리튬 염과 같은 귀중한 성분을 회수할 수 없다는 것입니다. 회수되는 물질의 종류가 제한적일 뿐만 아니라, 유독 가스 배출 및 습식 제련 후처리 과정의 필요성과 같은 환경적 단점과 높은 에너지 비용도 존재합니다.
배터리 재활용 공정을 개선하기 위해 노력하는 혁신적인 기업과 연구 기관의 수가 점점 늘어나고 있다. 배터리 소재를 회수해 재사용할 수 있는 안전하고 비용 효율적인 방법을 개발하는 것은 교통 분야의 지속 가능한 전환을 이끄는 핵심 요소로 인정받고 있다.
패러데이 연구소(The Faraday Institution)는 2018년 1,400만 파운드 이상의 자금을 지원받아 ReLiB 프로젝트(전기차 리튬이온 배터리 재활용)를 시작했으며, 이를 통해 버밍엄 대학교에 새로운 배터리 시험 및 저장 시설이 설치되었다. 이러한 시설 덕분에 버밍엄 대학교와 레스터 대학교의 연구진은 표적 초음파를 활용하는 새로운 분리 방법을 개발할 수 있었다. 연구진은 활물질, 결합제, 전류 수집체 또는 금속 사이의 3성분 상 경계가 매우 중요하며, 고출력 초음파를 사용하여 해당 상 경계 근처에서 캐비테이션을 유도할 수 있다는 점을 파악했습니다. 캐비테이션으로 형성된 기포의 내파 현상을 이용해 재료 내에 충격파를 발생시킴으로써 상 경계를 기계적으로 분리하고, 화학 반응 없이 물리적으로 층을 분리합니다. 단순한 초음파 진동이 아닌 캐비테이션을 활용함으로써 상 경계에 훨씬 더 강력하고 집중된 힘을 가해 재료를 분리할 수 있다.
실제 공정에서는 전극 시트(전류 수집체에 결합된 전극 재료)를 물이 담긴 탱크 안으로 이동시키며, 특수하게 배치된 초음파 프로브를 사용하여 전극 재료, 결합제 및 전류 수집체 재료가 만나는 부위에서 캐비테이션을 유발합니다. 이렇게 하면 박리된 전극 재료가 수면 위로 떠오르므로 쉽게 건져낼 수 있고, 깨끗한 전류 수집체(예: 금속 호일)만 남게 됩니다. 이 과정에서 고온이나 에칭 산은 필요하지 않습니다. 또한 물 대신 탱크에 적절한 용매를 사용하거나, 퍼낸 재료를 용매로 세척하여 나중에 용해시키는 방식으로, 활물질과 바인더를 분리하는 것도 가능합니다.
이 혁신 기술은 신속하고 깨끗하며 지속적인 분리 공정을 제공할 수 있는 잠재력을 지니고 있으며, 분리된 산출물이 자동으로 분리되어 배출되므로 동일한 배터리에서 나온 여러 가지 서로 다른 재료를 회수하여 재사용할 수 있게 해줍니다.
이와 같은 기술 발전은 리튬이온 배터리의 지속 가능성을 확보하는 데 핵심적인 요소인 배터리 재활용의 효율성을 높이는 길을 열어줄 것입니다. 이는 환경 문제, 변화하는 소비자 선호도, 정부의 목표에 힘입어 더욱 전기화된 미래로 전환하는 데 중요한 수단이 될 것입니다.
당사의 에너지 부문 전문성에 대해 더 자세히 알아보시려면 에너지 부문 페이지를 방문해 주시기 바랍니다.
“수명이 다한 배터리를 재활용하여 귀중한 원자재를 회수하는 것은 수요를 충족시키는 데 일조할 것입니다.”
