폐배터리

현대차그룹과 OCI가 재사용 배터리를 활용해 충남 공주 태양광발전소에 설치한 에너지저장장치(ESS) 큐브

미국 전기차 재활용 스타트업 라이사이클(Li-Cycle)이 리튬이온 배터리를 분쇄한 모습

폐배터리는 성능이 떨어져 수명을 다한 배터리를 말한다. 배터리를 교체하거나 혹은 자동차를 폐차하는 경우 폐배터리가 나오게 된다. 특히, 전기자동차가 급속하게 늘어나면서 폐배터리가 중요한 사회적 문제로 부각했다. 전기차 배터리의 수명은 평균 7~10년이다. 한국에서는 비교적 최근인 2018년부터 폐배터리가 배출되기 시작했다. 배터리 생산과정에서도 제조 공정의 특성상 수율 100%를 달성하기 어렵기 때문에 폐배터리가 발생한다. 폐배터리는 화재의 위험성이 높고 리튬, 코발트, 니켈 등 금속물질이 포함되어 있어 환경오염의 주범이 된다.

2016년부터 미국과 유럽을 제치고 세계 최대 전기차 시장으로 부상한 중국은 2020년부터 폭발적인 전기차 배터리 교체기를 맞게 되었다. 중국자동차기술연구센터에 의하면 2020년 중국의 폐배터리는 약 20만 톤에 이르며, 2025년엔 35만 톤 규모에 이를 것으로 전망된다. 프라운호퍼 연구소의 추산에 의하면 미국에서만 2020년까지 약 5억 개의 리튬이온 배터리를 폐기해야 한다. 한국의 경우 친환경차 폐배터리가 2024년에 약 1만 개가 나오며, 2040년에는 폐배터리 총 누적 발생량이 약 245만 개까지 늘어날 것으로 전망된다.

개요

리튬이온배터리는 유기용제 폭발성 물질과 산화리튬 등 유독물질이 함유되어 있어 세계 각 국가에서 처리 문제가 사회적으로 대두되고 있다. 국내는 리튬이차전지가 폐기된 이후의 회수 및 관리가 미흡한 실정이다. 영국과 독일은 자동차사가 회수하고 있고 중국은 업체들이 자동차 및 배터리 제조사와 협력해 회수해서 재활용한다. 현재 한국은 폐배터리 수거 후 재활용 방안을 구체화할 필요가 있다. 현재 폐차된 전기자동차의 리튬이차전지는 자동차 생산 업체와 폐기물 업체가 수거 후 단순 보관하고 있다. 한국정부는 2020년 말 폐배터리를 지방자치단체에 반납해야 하는 의무를 폐지하고 민간의 배터리 재사용, 재활용 사업을 더 활발해지도록 촉진했다.

배터리 업계에 따르면 폐배터리 시장은 2025년 이후 본격적으로 열릴 것으로 예상된다. 테슬라가 지난 2012년 선보인 전기차 모델S의 폐배터리가 2020년을 기점으로 나오기 시작하면서 앞으로 폐배터리의 양이 급증할 수밖에 없는 상황이다. 글로벌 전기차 판매량이 2019년 200만대, 2020년 250만대를 넘어선 점을 감안하면 5~10년 뒤에는 폐배터리만 수백만개에 달할 전망이다. 배터리 업계는 전 세계 폐배터리 재활용 시장이 2019년 기준 15억달러(약 1조6500억원)에서 2030년이면 180억달러(약 20조원) 규모로 10배 이상 성장할 것으로 내다봤다.

폐배터리 처리 방안

페배터리 처리 방법은 크게 두 가지이다. 재사용(Re-Use)과 재활용(Re-Cycling)이다. 재사용은 전기차에서 분리된 전지를 ESS(에너지 저장장치)등의 전원으로 사용한다. 재활용은 폐전지로부터 희유금속을 추출해 금속을 사용한다. 재사용은 중대형 전지에 적용하는데, 아직 사례가 없다. 현재 소형은 방전 시스템을 활용해 금속을 회수하고 있다.

재사용과 재활용의 장단점을 살펴보면 재사용은 팩, 모듈, 셀로 나눌수록 해체 난이도가 높아진다. 배터리 팩을 재사용하는 경우에는 공정이 단순하나, 배터리 팩의 형태가 달라 재활용되는 제품 적용이 제한적이다. 셀로 분해 후 재조립하면 제품 적용이 용이하나 해체 비용이 많이 든다. 해체는 작업자의 수작업으로 진행될 수밖에 없어 노동집약적이기 때문이다. 배터리 팩의 형태가 다양해 자동화하기엔 한계가 있다. 재활용은 폐전지에서 고가의 희유 금속을 추출하는데, 소형 중심으로 이뤄지고 있다. 폐전지 폭발위험 제거 및 파쇄하는 전처리와 화학용액을 활용해 금속을 추출하는 후 공정으로 나뉘는데, 기술적으로 난이도가 높다. 많은 물량을 처리하고, 제품 적용을 용이하게 하기 위해서는 재활용 기술을 발전시킬 필요가 있다고 판단한다.

전기자동차 폐배터리 재활용 공정도

 

전기자동차 폐배터리 재사용 과정

 

재활용 처리 공정은 습식만 하거나 습식과 건식을 혼합하는 방법이 있다. 습식은 방전 등의 전처리 공정 후 침출을 통해 철과 알루미늄 등을 분리한 이 후에 녹여서 금속을 추출한다. 건식은 폐배터리를 제련소에 넣어서 녹인 후 매트와 슬래그로 구분한 후 매트에서 금속을 추출한다.

전기차 폐배터리 산업 현황

전기차용 리튬이차전지는 초기 용량 대비해서 약 70% 이하로 감소하면 교체가 필요하다. 주행거리가 감소되고 충전 속도가 느려지기 때문이다. 국내 전기차는 19년말 기준 89,918대가 팔렸다. 통상적으로 전기차 배터리 사용 기간은 약 5~10년으로 폐배터리 재활용 시장은 2028년부터 본격화될 전망이다. 에너지경제연구원은 2029년에 국내 전기차 폐전지 약 8만개 배출을 전망한다.

최근 정부의 전기차 폐배터리 처리에 대한 관심이 높아지고 있다. 산업통상자원부, 환경부, 제주도, 경상북도, 현대자동차는 향후 급격한 증가가 예상되는 전기차 사용 후 배터리의 효율적인 사용을 위해 20119년 6월 업무협약을 체결했다. 업계가 협력하여 관련 산업을 육성하고 유가금속을 회수하는 등 순환경제 모델을 구축하는 것을 목적한다. 산업통상자원부는 전기차 배터리 재사용, 재활용을 포함한 배터리 산업 생태계를 육성하고, 환경부는 유가금속 회수 등 재활용 체계를 구축한다. 제주도와 경상북도, 현대자동차는 지역경제 활성화를 위한 사업 모델을 발굴하는 등 협력체계를 구축하기로 했다. 한국산업기술진흥원은 제주시에 배터리산업화센터를 구축해 재사용 배터리 성능평가,등급 분류 및 보급, 안정성 시험 및 평가, 활용 연구개발 등을 수행한다. 제주테크노파크 전망치에 따르면 전기차 배터리 예상발생량은 20년 1,464대에서 22년 9,155대로 연평균 150% 성장할 전망이다.

국내기업 폐배터리 재활용 사업 진출

• LG에너지솔루션(전 LG화학 (854,000원 ▲ 0 0.00%)배터리사업부문)은 2019년 6월 호주 폐배터리 재활용 업체인 엔바이로스트림과 손잡고 호주에서 배터리 재활용 사업을 운영 중이다. 김종현 LG에너지솔루션 사장은 "배터리 리스(대여)나 재사용에 필요한 인증서비스 등 'BaaS(Battery as a Service)' 모델을 적극 발굴하고 사업화할 수 있도록 준비해 나가겠다"고 밝혔다. LG에너지솔루션이 인바이로스트림에 폐배터리를 전달하면, 인바이로스트림은 사용 가능한 원료를 추출해 LG에너지솔루션에 보내는 방식이다.

• SK이노베이션은 전기차 폐배터리에서 수산화리튬 형태로 리튬을 회수하는 기술 개발에 성공했다. 배터리에 수산화리튬을 사용하면 기존 탄산리튬에 비해 고용량 삼원계 배터리 효율성이 우수하다는 평가다. 한 번 충전하면 500㎞ 이상 주행이 가능한 전기차 양산이 확대되는 만큼 향후 효용 가치가 높아질 것이라는 기대다. SK이노베이션은 현대차그룹과도 손을 잡았다. 폐배터리로부터 희귀금속을 추출해 재활용하는 방안을 모색하기로 했다.

• 삼성SDI는 성일하이텍 등 국내 재활용업체들과의 업무협약을 통해 폐배터리를 재활용하고 있다.

• 현대차그룹은 2019년 6월 환경부, 산업통상자원부, 제주도, 경상북도와 함께 전기차 폐배터리 재활용에 대한 자원순환체계를 구축하고 연관 산업 육성을 위한 업무협약을 체결했다. 2019년 9월에는 OCI와 '전기차 폐배터리 재활용 에너지저장장치(ESS) 실증 및 분산발전 사업 협력 양해각서(MOU)'를 체결했다. 현대차 울산공장 내 태양광 발전소에서 생산된 전력을 전기차 폐배터리를 모아 만든 2MWh(메가와트시)급 ESS에 저장한 뒤 다시 외부로 전력을 공급하는 친환경 발전소로 운영한다는 방침이다. 전기차 배터리는 충전과 방전을 거듭해 성능이 70~80% 수준 아래로 떨어지면 폐배터리로 분류되는데, 이 가운데 충전 능력이 70%선을 유지하는 배터리는 ESS로 재사용이 가능하다.

• 르노삼성은 2019년 10월 LG화학과 업무협약을 맺고 국내 전기차 폐배터리를 사용한 ESS 개발 사업에 나선다고 발표했다. 르노삼성은 전기차 폐배터리 40대를 LG화학에 제공하고, LG화학은 제공받은 폐배터리를 새로운 ESS 개발에 활용할 계획이다. LG화학은 전기차 폐배터리에 최적화된 ESS를 2021년까지 구축하고 시험 운영할 예정이다.

• 에코프로는 2020년 2월 실적발표 기자회견에서 배터리 재활용 사업 설명회를 가졌다. 지주사 에코프로가 폐전극, 폐배터리에서 원료 채취. 자회사 에코프로이노베이션, 에코프로GEM을 통해 황산화/리튬전환, 전구체 공정 진행. 에코프로비엠이 최종적으로 양극재를 생산하게 된다.

• SK네트웍스는 2019년 11월 성일하이텍과 '리사이클을 통한 자원순환 촉진과 사회적 가치 창출을 위한 업무 협약'을 체결. SK네트웍스는 중고폰 무인 매입기 '민팃ATM'으로 수거한 폐휴대폰을 성일하이텍을 통해 리튬이온전지의 원소재로 재자원화하고 있다.

해외 사례

폐배터리 재활용 기업은 중국의 거린메이(GEM), 화유코발트, 닝보브룬프(BRUNP), 벨기에의 유미코어(UMICORE)가 있다. 한국에는 비상장사인 성일하이텍이 있다.

중국의 거린메이와 유미코어는 폐배터리에서 금속을 추출해 판매하고 있다. 화유코발트는 폐배터리 해체 플랜트 건설을 시작했다. 중국의 배터리팩 제조사인 CATL은 자회사인 브룬프(BRUNP)사와 닝보브룬프(Lingbo Brunp CATL New Energy) 합작회사를 설립해 폐배터리 재활용 사업에 진출했다.

영국과 독일 등에서는 자동차 제조사에게 배터리 회수 의무를 부과하고 있다. 중국은 배터리 수집 및 재활용 해체 기준을 제시하고 있는데, 대부분 회수에 대한 의무는 있지만, 생산자책임재활용 제도 수준의 규정은 없다. 따라서 폐배터리 재활용 업체는 배터리 제조사 및 자동차 제작사와 협력을 통해 사업을 영위한다.

미국과 유럽에서는 배터리 재활용에만 주력하는 스타트업도 속속 등장하고 있다. 테슬라 공동창업자인 JB 스트라우벨이 설립한 레드우드 머티리얼즈(Redwood Materials)는 미국 네바다주 소재 테슬라 기가팩토리에서 받은 폐배터리에서 추출한 리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄 등 원재료를 일본 배터리 제조사 파나소닉에 되파는 재활용 사업을 2017년부터 운영 중이다. 이 회사는 제프 베조스 아마존 창업자와 빌 게이츠 마이크로소프트 창업자 등이 설립한 에너지 펀드인 BEV(Breakthrough Energy Ventures)의 투자를 받아 사업을 확장하고 있다.

독일 폭스바겐의 경우 2020년에 독일 잘츠기터에 배터리 재활용 시범 공장을 만들어서 전기차 폐배터리를 파쇄하여 니켈 코발트 리튬 등을 걸러내며, 신규 배터리 생산에 투입하는 공정에 돌입했다.

스웨덴 배터리 제조사 노스볼트도 2030년까지 신규 생산하는 배터리의 50%를 폐배터리 재활용 소재로 만들기 위해 스웨덴에 배터리 재활용 공장을 건설 중이다. 노스볼트는 "2022년부터 가동을 시작하는 이 공장에서는 연간 2만5000톤의 폐배터리를 재활용할 계획"이라고 밝혔다.

독일 화학기업인 뒤젠펠트는 분쇄기로 리튬이온 배터리를 분쇄물질과 전해질 중 하나만 남을 때까지 분해해 파쇄된 재료로부터 이전의 원료인 흑연, 망간, 니켈, 코발트, 리튬 등을 얻는 기술을 개발했다. 이 물질들은 다시 모터용 배터리의 재생산에 투입되는데, 모든 배터리 구성요소의 96%를 재활용할 수 있는 것으로 알려졌다.

독일의 정부출연 연구기관인 프라운호퍼 연구소는 셀의 개별 구성요소를 분리할 수 있는 충격파를 유발하는 전자 유압식 분쇄기로 리튬이온 배터리를 분쇄한다. 이 방식에 의한 화학적 활성 물질은 개별 요소와는 달리 직접 다시 투입이 가능하다. 이와 더불어 이 연구소에서는 리튬 황 배터리, 리튬 기반 고체 배터리와 같은 대체 배터리 기술을 재활용할 수 있도록 자체적인 리사이클링 공정 개발도 병행하고 있다.

국내 시장 전망

전기차 한대 당 유가금속 가치

SNE리서치에 따르면 NCM622 기준 에너지 1GWh당 필요한 금속 무게는 코발트(230톤), 니켈(690톤), 망간(180톤), 탄산리튬(640톤), 구리(500톤), 황산알루미늄(850톤) 등이다. 현재 가격 기준으로 산출하면 니켈, 코발트, 리튬 순서로 가치가 높다. 금속 가치가 높은 코발트, 니켈, 탄산리튬만 폐배터리에서 추출한다고 가정했을 때 회수율 100%로 가정할 경우 자동차 한대당 배터리 팩에서 나오는 유가금속은 약 1백만원에 달한다. 코발트 34.1달러/kg, 니켈 12.8달러/kg, 리튬 5.5달러/kg에 근거했다.

국내 전기차 폐배터리 재활용 시장 전망

국내 전기차 폐배터리 재활용 시장을 전망해 보면 재활용이기 때문에 말소된 자동 차수를 기준 삼았다. 국내 자동차 등록대수는 19년 2,368만대, 신규 등록차는 181만 대이다. 말소된 차는 134만대로 이 중 승용차가 101만대를 차지한다. 향후 말소 등록될 자동차수가 현 수준을 유지하고, 100% 전기차라고 가정하면, 연간 약 1.4조원의 시장이 생긴다. 승용차 수 기준으로는 1조원이다. 전기차 배터리 교체 주기는 7~8년으로 내연기관차 대비 짧다는 점을 감안하면 시장은 커질 전망이다. 초기투자 비용 및 운영 비용을 감안하더라도 원재료 구입 비용이 크지 않기 때문에 규모의 경제만 실현된다면, 고수익 사업일 수밖에 없다.

표준화된 글로벌 전기차 폐배터리 평가, 재활용 기준 필요

폐배터리 재활용 시장은 산업 초기 단계로 해결해야할 과제들이 많다. 산업 성장이 본격화되기 위해서 표준화된 전기차 폐배터리 평가 및 재활용 기준이 필요하다. 글로벌 국가 및 기업들의 폐배터리 재활용 기술 연구개발이 활발한 이유이기도 하다. 우리나라도 환경부, 산업자원부, 제주도, 경상북도, 현대자동차가 산업 육성을 위해 연구개발을 시행 중이다.

현재 우리나라는 대기환경 보존법 제58조에 따라 환경부 보조금 지원 대상의 전기자동차인 경우 폐차 시에 배터리를 시도지사에 반납해야 하고, 시도지사는 회수된 배터리 성능을 검토해 재활용하도록 하고 있다. 다만, 기준이 정해지지 않아 지금까지 자치단체가 반납 받은 폐배터리는 방치되고 있는 실정이다.

중국은 베이징, 톈진, 허베이의 수도권 지역, 창장강 삼각주, 주강 삼각주 등에서 폐배터리를 수거할 계획이다. 수거한 배터리는 분해 후 저속전기차, 에너지 저장장치 등 저밀도 분야 배터리로 재사용할 예정이다.

미국에너지국은 ReCall Center를 설립했는데, 배터리의 재활용 기술 R&D 센터 역할을 한다. 아르곤 국립연구소와 1500만달러 규모의 배터리 재활용 연구개발 프로젝트를 체결했다.

리튬이온 배터리를 저밀도 배터리로 재사용하는 기업들도 있다. 아우디는 지게차의 납축전지 대신 전기차 배터리 재활용을 통해 비용을 절감한다. 볼보는 전기버스 폐배터리를 태양광 연계형 ESS로 재활용을 시험 중이다. 중국철탑은 통신기지국에 납 배터리 대신에 재활용 리튬이온 배터리를 사용한다. 19년 재활용 규모는 5GWh가 예상된다.

배터리 원재료 추출 기술 개발을 활발하게 하는 기업도 많다. 테슬라는 배터리와 제조 과정에서 남겨진 것들을 재처리해서 알루미늄, 구리, 리튬, 코발트 등의 광물을 추출한다. 미쓰비시 머티어리얼은 일본자력선광과 합작해 리튬이온 배터리에서 코발트와 니켈을 추출하기 시작했고, 2022년부터 상용화할 계획이다. 스미토모금속광산은 폐리튬 배터리에서 코발트. 니켈, 구리 등을 재활용하는 공정 기술을 개발했다. 혼다는 폐배터리 대량 재활용을 위해 공장 건설 계획을 갖고 있다. 폭스바겐은 배터리 재활용 시범공장을 건설했고, 소재 활용률을 늘릴 계획이다.

참고자료

• 최흥식 기자, 〈중국 전기차 폐배터리 재활용기업 화이트리스트 발표〉, 《인더스트리뉴스》, 2018-09-13
• 이성규 기자, 〈환경오염 막는 폐배터리 재활용 기술〉, 《사이언스타임즈》, 2020-02-21
• 박상우 기자, 〈전기차 폐배터리, 지자체에 반납 안해도 된다...관련 규정 전면 폐지〉, 《M오토데일리》, 2020-12-15
• 이재은 기자, 〈전기차 뜨자 폐배터리 시장 급성장…현대차·삼성·LG도 눈독〉, 《조선비즈》, 2021-01-11
• 서일범 기자, 〈20兆 전기차 '폐배터리' 시장 열린다〉, 《서울경제》, 2021-02-04
• 송옥진 기자, 〈전기차는 무조건 친환경? "폐배터리 3년 뒤 1만 개 쏟아진다"〉, 《한국일보》, 2021-04-26
• 권유정 기자, 〈(투자노트) 전기차 배터리 교체 시기가 다가온다〉, 《조선비즈》, 2022-02-07
• 안태호 기자, 〈사고 테슬라 폐배터리는 누구 것?…보험업계-테슬라 분쟁〉, 《한겨레》, 2022-03-01

같이 보기

• 배터리
• 코어차지
• 에너지저장장치(ESS)

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