폐이차전지, 귀금속 28% 이상 함유
회수 대상으로 가치 높아
　

국내에서는 이차전지 산업을 12대 국가 전략 중 하나에 포함시키며 지속적으로 성장할 산업군으로 꼽았다. 이차전지 산업은 탄소 중립 사회에서 핵심적인 역할을 할 중요 기술로 분류된다. 배터리를 재사용 및 재활용 할 경우 전기차 전 주기에서 발생하는 온실가스 배출량을 저감하는 데 기여할 수 있다. 이에 따라 한국재료연구원(KIMS)에서 발간한 소재기술백서에 담겨있는 폐이차전지 재활용 기술을 요약 정리했다. 

이차전지는 외부의 전기를 화학 에너지 형태로 바꿔 저장해뒀다가 필요할 때 화학 에너지에서 전기를 만들어내는 장치로 양극재, 음극재, 분리막, 전해액으로 구성된다. 

전 세계 이차전지 산업은 전기차 보급이 증가함에 따라 급격하게 성장하고 있다. 지난해 기준 이차전지 산업의 규모는 567억 달러 가량으로 추산되며 2030년에는 1,871억 달러로 확대될 것으로 예상된다. 

그러나 이차전지 성장 전망이 긍정적으로 기대되는 만큼 폐이차전지 발생도 함께 우려되는 상황이다. 전기차 보급과 폐이차전지 발생 간 이격이 있기 때문에 국내에서는 폐이차전지 문제에 대해 실감하지 못하고 있다. 

전기차에 탑재된 이차전지의 수명은 통상적으로 10~15년 가량이다. 국내 전기차 보급이 본격적으로 시작된 시기가 2020년인 점을 고려했을 때 폐이차전지 발생은 2030년부터 2035년부터 본격적으로 나타날 것으로 보인다. 

2040년 기준 예상되는 폐이차전지 발생 개수는 연간 약 70만 개로 무게로 환산하면 연간 28만톤 가량이다. 이에 따라 향후 대량 발생할 폐이차전지에 대한 대응 기술 마련이 시급해지고 있다. 

페이차전지는 환경부에서 지정한 중요 순환자원이며 타 순환자원과 구별해 별도로 이력 관리도 해야 한다. 즉, 폐이차전지는 재사용 또는 재활용을 거쳐 자원화할 수 있다. 재사용은 잔존용량이 높은 폐이차전지 팩을 개조하거나 기존 상태로 수거해 해체·안전 테스트를 통과한 후 에너지저장시스템(Energy storage system: ESS) 제품으로 재상품화하는 기술이다. 재활용은 폐전지를 셀 단위에서 분해해 전극 소재, 코발트, 리튬, 니켈 등 고가인 소재를 추출하는 기술이다.

이차전지는 전체 원가의 50% 이상이 양극재로 분석되는데 양극재는 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등 중요자원으로 구성된다. 따라서 이차전지는 사용이 완료돼 폐이차전지가 되어도 여전히 귀금속을 28% 이상 함유한 재활용 가능한 폐자원이다. 최근 양산된 통상적인 사용 이차전지 제품을 기준으로 보면 코발트 4.3%, 리튬 3.2%. 니켈 16%, 망간 5.4% 가량이다. 양극재를 제외하고 구리도 11% 가량 함유하고 있다. 올해 2월 기준 해당 귀금속의 가격은 코발트 3만달러, 리튬 1만4천달러, 구리 8,000달러 가량이다. 이를 가격으로 환산하면 60kWh 배터리 1대당 약 960달러(한화 128만 원)의 경제적 가치를 지닌다. 폐이차전지가 연간 70만대 발생한다고 가정하면 연간 약 9,000억 원에 이르는 귀금속 자원으로 환산된다. 이는 폐이차전지는 탑재된 원자재 가격만 고려하더라도 회수 대상으로서 가치가 높다는 것을 뜻한다. 

폐이차전지의 재활용 기술은 제련 기술을 기반으로 하며 전처리 공정과 후처리 공정으로 나뉜다. 전처리 공정은 폐이차전지를 입고한 후 방전, 파분쇄, 물리적 분리를 거쳐서 분말화하는 단계이며 최종 생성물인 분말을 블랙파우더(black powder) 또는 블랙매스((black mass)라고 한다. 후처리 공정은 블랙파우더에서 귀금속 물질을 분리하는 단계다. 분리는 건식 또는 습식 제련으로 진행된다. 최종 생성물은 코발트화합물, 니켈 금속 또는 니켈 화합물, 망간화합물, 리튬화합물 등이 있다. 

현재 폐이차전지 재활용 기술의 요소 기술은 선택지가 다양하며 국외의 폐이차전지 재활용 전문 기업들도 각자의 전략을 토대로 요소 기술을 조합해 공정을 구성해 진행하고 있다. 

폐이차전지 재활용 기술에서 중요도가 높은 기술은 파분쇄 시 열폭주 저감 기술, 물리적 분리 기술, 건식 제련기술, 습식 제련 기술이다. 

파분쇄 시 열폭주 저감 기술의 원리는 폭발의 3요소인 점화원, 가연성 물질, 산소 중 하나를 제거하는 방식에 기반한다. 이차전지 내부에는 전해액과 잔류하는 전기 에너지가 있어 파분쇄 시 열폭주가 발생할 위험이 있다. 방전이 완료된 배터리에서도 열폭주 발생 사례가 발생하고 있어 열폭주 예방 전략은 중요하다. 파분쇄 시 열폭주를 저감하는 기술로는 염수/물 분사, 무산소 파분쇄, 공냉 중 파분쇄 등이 있다. 

미국 리트라이브(Retriev)는 염수 또는 물을 뿌리면서 파분쇄하는 기술을 사용한다. 이는 파분쇄 시 점화원을 예방하는 기술이다. 염수/물은 방전되지 못하고 남은 전기 에너지를 염수로 빠르게 방전시키는 데 기여하므로 쇼트에 따른 점화원이 예방된다.

프랑스의 레쿠필(Recupyl)과 독일의 뒤센펠드(Duesenfeld)는 무산소 조건에서 파분쇄하는 방식을 도입했다. 이는 산소를 차단해 열폭주를 제어하고자 차용됐다. 

핀란드의 아쿠세르(Akkyser)는 공랭 중 파분쇄 방식을 도입했으며 가연성물질을 빠르게 배출한다.