[요약]
- 배터리를 분쇄한 블랙매스에 염소가스를 주입하는 방식으로 회수율 97% 달성
- 리튬을 회수하고 남은 블랙매스에 추가로 리튬과 니켈을 투입하여 기존 대비 30% 수명이 더 긴 양극 소재 합성 성공
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한국원자력연구원 연구진이 전기차 폐배터리를 친환경적으로 재활용하는 양극 소재 업사이클링 기술을 개발
- 전기차 배터리 수명은 약 5~10년 정도로 이후에는 성능이 떨어져 주행거리 감소, 폭발 위험, 충전 속도 저하 등의 문제가 발생하기 때문에 교체 또는 폐기가 필요
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- 배터리 순환은 ▲폐배터리 재활용(re-cycle)과 ▲재사용(re-use)의 크게 2가지 방법 존재
- (재활용) 폐배터리를 셀 단위로 분해한 후 리튬, 니켈, 코발트, 망간, 구리, 알루미늄 등 배터리의 핵심 원자재 금속을 추출해 새로운 배터리 제조에 활용하는 방법
- (재사용) 성능이 약 60~70% 정도로 저하된 폐배터리를 ESS(에너지 저장장치) 혹은 UPS(무정전 전원장치) 등으로 재사용하는 방법
- 배터리 순환은 ▲폐배터리 재활용(re-cycle)과 ▲재사용(re-use)의 크게 2가지 방법 존재
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- 이 중 배터리 재활용의 주목적은 배터리 전체 단가의 40% 이상을 차지하는 양극 소재인 리튬, 니켈, 코발트 등 금속 원소의 회수
- 사용 후 수거된 폐배터리는 합선, 화재, 폭발 등의 위험을 제거하기 위해 방전 공정을 거친 후 배터리의 소재별, 규격별로 분류하고 모듈 혹은 셀 단위로 분해
- 재활용 공정은 배터리 방전 공정 이후에 파쇄·분쇄·선별 등의 전처리(물리적) 공정과 습식 또는 건식 공정 등의 후처리 공정으로 나뉘어 진행
- 이 중 배터리 재활용의 주목적은 배터리 전체 단가의 40% 이상을 차지하는 양극 소재인 리튬, 니켈, 코발트 등 금속 원소의 회수
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- 연구팀은 블랙매스(배터리를 파쇄한 리튬, 니켈 등의 금속 혼합 가루)를 직접 재활용할 수 있는 건식 공정을 활용해 블랙매스에 염소가스를 주입한 후 염화리튬(LiCl)과 잔여 블랙매스로 분리
- 염화리튬은 물에 잘 녹는 속성이 있어 리튬 회수가 쉽고, 회수율이 97%에 육박
- 연구팀은 블랙매스(배터리를 파쇄한 리튬, 니켈 등의 금속 혼합 가루)를 직접 재활용할 수 있는 건식 공정을 활용해 블랙매스에 염소가스를 주입한 후 염화리튬(LiCl)과 잔여 블랙매스로 분리
- 배터리 성능은 양극 소재 내 리튬이 얼마나 정량으로 합성되었는지에 따라 결정
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- 연구팀은 리튬을 제거한 블랙매스에 추가로 리튬과 니켈을 투입시킨 뒤, 고온으로 합성
- 양극 소재 내 니켈 함량을 늘리고, 리튬을 양극 소재에 균일하게 분포하는 데 성공했으며, 이렇게 업사이클링한 양극 소재는 기존 양극 소재보다 30% 이상 수명이 긴 것으로 확인
- 연구팀은 리튬을 제거한 블랙매스에 추가로 리튬과 니켈을 투입시킨 뒤, 고온으로 합성
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- 또한 연구팀은 중성자나 X-선으로 물질의 원자구조를 분석하는 고온 회절 분석을 실시
- 업사이클링 과정에서 발생하는 리튬 원자의 위치, 움직임과 같은 미세 구조적 변화를 실시간 관찰하고, 재합성 메커니즘을 규명하는 데도 성공
- 또한 연구팀은 중성자나 X-선으로 물질의 원자구조를 분석하는 고온 회절 분석을 실시
[시사점]
- 전 세계 전기차 확산으로 글로벌 전기차 폐배터리 재활용 시장 규모도 2025년부터 연평균 33% 성장해 2040년 574억 달러 수준을 기록할 전망
- 주요 국가들이 폐배터리 산업에 대한 관심을 확대하고 있는 가운데, EU는 폐배터리의 수거비율을 높이고(현 45% → 2025년 65% → 2030년 70%), 2030년부터 배터리 생산 시 주재료의 일정 부분에 재활용 원료를 의무적으로 사용(코발트 12%, 납 85%, 리튬 4%, 니켈 4%)하도록 추진 중
- 그러나 국내의 경우, 폐배터리의 안정성과 성능을 검증할 인증기준이 확립되지 않았고, 폐배터리 재사용ㆍ재활용을 위한 법적 기반 부족, 보조금 없이 구매한 전기차의 구체적인 폐기 지침이 미흡한 실정
[출처]
- 연합뉴스. 원자력연구원, 전기차 폐배터리 친환경 재활용 기술 개발, 2023.10.11.
- 유진투자증권. 폐배터리 산업, 2022.12.6.
