블랙파우더

블랙파우더(black powder)는 폐배터리를 물리적으로 분쇄하여 얻은 검은색 분말이다. 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등 희소 금속이 포함되어 있어 배터리 재활용의 핵심 원료로 주목받고 있다.

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개요

블랙파우더는 폐배터리를 분쇄 후 선별, 건조 등의 과정을 거쳐 생산된다. 분쇄 과정에서 배터리 케이스, 전극, 분리막 등이 분리되며, 선별 과정에서는 분리된 물질을 크기, 밀도, 색상 등의 특성에 따라 분류한다. 건조 과정에서 분류된 물질을 건조하여 블랙파우더를 얻게 된다. 블랙파우더의 희소금속 함량은 배터리 종류, 배터리 사용 기간, 배터리 충전 횟수 등에 따라 달라진다. 일반적으로 리튬 함량은 10~20%, 니켈 함량은 20~30%, 코발트 함량은 10~20%, 망간 함량은 20~30% 정도이다. 이러한 블랙파우더는 배터리 재활용의 핵심 원료로 주목받고 있다. 전기자동차의 보급이 확대됨에 따라 폐배터리 발생량이 증가할 것으로 예상되기 때문이다. 실제로 블랙파우더에서 회수한 희소금속은 리튬이온 배터리, 전기차 모터, 태양전지 등의 제조에 사용된다. 블랙파우더의 시장 가치는 희소금속의 가격에 따라 달라지지만 희소금속 함량을 고려하면, 톤당 10만 달러 이상의 가치를 지닐 것으로 추정된다. 또한 블랙파우더의 시장은 아직 초기 단계이지만, 전기차 보급 확대에 따라 폐배터리 발생량이 증가하고, 희소금속의 수요가 증가할 것으로 전망됨에 따라 향후 급속히 성장할 것으로 예상된다.

등장배경

전 세계에서 사용되는 충전용 배터리의 대부분을 차지하는 리튬이온 배터리는 불과 얼마 전까지만 하더라도 4차 산업혁명을 이끌 원동력으로 주목받던 에너지 저장기기이다. 리튬이온 배터리는 리튬을 소재로 만들어진 배터리로, 이전까지 사용했던 니켈수소 배터리에 비해 가볍고 용량이 크다는 장점이 있어 전기차에도 흔히 사용된다. 하지만 전기차의 시장 성장과 더불어 리튬이온 배터리의 사용량도 급격히 증가하다 보니, 폐배터리들의 처리 문제를 걱정해야 하는 시기가 도래했다. 전기차에 사용되는 리튬이온 배터리는 일반적으로 8~10년 정도가 지나면 충전량이 현저히 감소하여 폐배터리로 분류된다. 문제는 이렇게 쏟아져 나오는 리튬이온 배터리의 재활용이 어렵다는 점이다. 게다가 폐리튬이온 배터리를 별도의 처리 과정 없이 땅에 매립할 경우, 폐배터리에서 나온 전해액과 전극에 사용한 중금속이 토양과 지하수를 오염시킬 수 있다. 소각을 해도 유해 물질이 배출되고, 채굴 과정에서도 톤당 약 227만 리터에 달하는 엄청난 양의 물이 필요하므로 친환경적 제품이라고는 할 수 없다. 2023년, 대한민국의 한국지질자원연구원 자원활용연구본부 연구팀에서는 이러한 폐리튬이온 배터리의 해체 과정에서 나온 블랙파우더에서 양극재 물질을 분리·선별해 회수하는 공정 개발에 성공했다. 연구팀은 광물 선별 방법인 부유선별 과정을 활용해 '폐리튬이온 배터리의 블랙파우더에 함유된 양극재 물질을 회수하는 공정 및 운영 기술'을 개발했다. 특히 20마이크로미터 이하인 양극재의 비말동반 현상에 따른 손실을 최소화하기 위해 부유선별 공정 회로와 최적의 광액 농도, 반응(체류)시간, 입자 유동, 기포 층 두께 등을 제어하는 운전 조건을 개발했다. 이를 바탕으로 연구팀은 폐리튬이온 배터리의 블랙 파우더에 함유된 양극재 물질의 98% 이상을 회수하는데 성공했다. 이 기술 개발의 성공으로 국내 재활용 기업들이 블랙파우더에서 나온 양극 물질로부터 리튬 등 삼원계(니켈, 코발트, 망간 등)를 회수하는 고순도화정제공정의 효율성과 생산성을 높이고 운영비 절감에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

중요성

전기자동차의 핵심 광물인 니켈은 전기차 주행거리에 영향을 미치는 용량과 에너지 밀도를 좌우한다. 니켈의 비중이 커질수록 값비싼 다른 원료의 함량이 줄어들 수 있기 때문에, 비용을 줄이는 측면에서도 경제적일 수 있다. 니켈은 리튬과 달리 전 세계에 고르게 분포되어 있는 편이다. 특히 인도네시아는 니켈을 가장 많이 보유한 나라이다. 연간 니켈 생산량은 인도네시아가 75만 톤(30.7%)으로 가장 높고, 필리핀이 32만 톤(12.9%), 러시아 28만 톤(11.3%) 순이다. 2022년 톤당 1만달러 중반을 형성했던 니켈 가격은 러시아-우크라이나 전쟁 이후 공급 불안에 대한 우려가 커지면서 톤당 4만 2,995달러까지 뛰는 등 사상 최고치를 기록하기도 했다. 양극재의 부식과 폭발을 제어하는 기능을 하는 코발트 역시 리튬이온 배터리의 핵심 소재 중 하나이다. 코발트의 70% 이상은 콩고민주공화국에서 나온다. 그리고 콩고민주공화국은 채굴한 코발트의 대부분을 중국으로 수출한다. 코발트는 구리와 니켈 광산의 부산물로 얻어지는 만큼 희소성이 높아 가격도 니켈보다 높게 형성돼 있어, 배터리 제조 원가의 20% 이상을 차지한다. 코발트의 가격은 코로나19 확산으로 재택 근무로 인한 전자기기 수요가 늘면서 급등했다. 이후 콩고민주공화국에 이은 주요 생산국 중 하나인 인도네시아에서 공급량이 확대되면서 가격이 다시 안정되었다. 그러나 2023년 6월 미국 의회가 콩고산 원재료 수입을 금지하는 내용의 법안을 발의하면서 코발트 가격이 다시 상승하기도 했다. 리튬이온 배터리를 구성하는 나머지 재료인 망간은 배터리의 안정성을 높이는 역할을 한다. 전기차 배터리에는 망간이 포함된 NCM(니켈, 코발트, 망간)이 가장 많이 쓰이는 양극재이다. 알루미늄은 배터리 출력 개선에 관여하는 역할을 한다. 배터리를 제조하는 전극 공정에서 전기 화학 반응을 일으키는 전자를 전달하는 집전체로 쓰인다. 최근에는 니켈의 비중을 높이고 알루미늄을 추가한 NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄)이 에너지 밀도가 높아 선호되고 있다.

이렇듯 니켈과 코발트 등 배터리의 주요 소재로 주목받는 원자재 수요는 전기차 배터리의 수요가 증가됨에 따라 더욱 늘어날 것으로 전망된다. 특히 희소성 높은 니켈과 코발트는 높은 가격대를 형성하고 있다. 코발트의 경우 향후 2, 3년간은 공급 과잉이 될 수 있지만, 채굴이나 재활용 프로젝트 같은 신규 투자가 없다면 장기적으로 공급 부족이 일어나 가격이 다시 뛸 수 있다. 콩고의 코발트 광산 70%는 중국이 소유하고 있고, 리튬 생산량의 80%도 칠레, 호주, 아르헨티나, 중국 4개 나라에 집중돼 있는 실정이다. 늘어나는 전기차의 수요를 감당하기 위해서는 폐배터리 재활용을 통한 원료 확보가 필수라고 할 수 있다. 또한 친환경 이미지가 강한 전기차도 배터리가 대량으로 폐기되면 환경 문제가 야기될 수 있다. 이 때문에 폐배터리를 재활용을 하지 않고 폐기하면 오히려 더 문제가 심해질 수 있는 것이다. 따라서 환경 문제를 해결하고 자원을 회수하기 위해서는 안전한 재활용 기술이 필요하다.

처리공정

가장 먼저 폐배터리를 잘게 부수어 가루, 즉 블랙파우더로 만드는 전처리 공정을 거쳐야 한다. 전처리 공정은 방전→해체→열처리→파·분쇄 과정을 거친다. 이 블랙파우더를 얼마나 잘 처리하느냐에 따라 리사이클링 과정의 효율이 결정된다. 이후 블랙파우더에서 다시 여러 가지 자원을 뽑아내는 과정을 후처리 공정이라고 한다. 황산에 블랙파우더를 녹인 뒤 원재료 특성에 반응하는 다른 물질을 넣어 필요한 재료를 걸러내는데, 블랙파우더에서 니켈, 코발트 등 핵심 원재료를 추출하는 과정이다. 이 후처리 공정은 다시 습식과 건식으로 나눌 수 있다. 습식 공정은 블랙파우더를 화학적으로 처리해 리튬, 흑연, 니켈, 코발트, 망간 등 다양한 자원을 수거하는 방법이다. 리튬 등 귀한 자원을 버리지 않고 수거할 수 있지만, 공정이 복잡하고 비용이 많이 들어가는 것이 단점으로 꼽힌다. 한편 건식 공정은 전처리 공정이 필요 없다. 즉 블랙파우더를 만들지 않고 방전을 끝낸 폐배터리를 그대로 용광로에 녹여 합금 덩어리로 만든 다음, 이것들을 제련해 니켈, 코발트, 구리, 철 등의 금속을 뽑아내는 방식이다. 간단하고 일이 빠르지만, 용광로에 녹여내는 과정에서 많은 에너지가 필요하고 탄소배출량이 많다는 단점이 있다. 용광로 등을 설치해야 하므로 초기 투자비 역시 많이 든다. 무엇보다 건식공정을 통해서는 리튬을 회수할 수 없다. 리튬은 배터리를 만들 때 가장 귀중한 자원으로 꼽힌다. 건식공정에서도 합금 덩어리 이외에 배출되는 찌꺼기인 슬래그(slag)나 분진 등을 모아 다시 처음부터 습식 공정을 진행하면 리튬을 뽑아낼 수 있지만, 이때는 건식공정이 후처리가 아닌 전처리가 돼 적합한 폐배터리 리사이클링 공정인지는 재고의 여지가 있다. 그럼에도 건식공정을 무시할 수 없는 이유는 과정이 복잡해 손이 많이 가는 습식공정 대비 공정이 단순하고, 여러 자원을 한꺼번에 리사이클링 할 수 있기 때문이다.

관련 사업자

에스케이에코플랜트㈜

에스케이에코플랜트㈜가 2022년 폐IT전자기기 재활용 전문기업 테스(TES)를 인수하면서 에스케이이노베이션의 폐배터리 희소금속 추출 기술과 시너지 효과를 낼 전망이다. 에스케이그룹이 폐배터리 재활용 사업의 밸류체인 구축에 나서고 있는 가운데, 배터리 재활용 전문기업인 테스를 인수한 것도 이러한 활동의 일환이라는 분석과 이번 인수로 에스케이에코플랜트가 블랙파우더를 안정적으로 확보할 수 있는 토대를 만들었다는 분석이 나온다. 에스케이에코플랜트가 전략 투자하고 있는 미국 폐배터리 리사이클링 혁신기업인 어센드 엘리먼츠(Ascend Elements)는 여러 물질을 동시에 침전시키는 방법인 공침법이라는 신기술을 보유하고 있으며, 독점적으로 상용화를 준비 중이다. 어센드 엘리먼츠는 2015년 메사추세츠주에 설립된 폐배터리 리사이클링 전문기업이다. 북미 시장에서 가장 빠르게 성장하는 기업 중 하나로, 에스케이에코플랜트가 이사회 의석 1개를 확보해 경영활동에 참여하고 있다. 과거에 공침법을 사용하지지 않았던 것은 여러 물질이 한꺼번에 녹아 나와 성분비를 조정하기 어려웠기 때문인데, 최근에는 미리 성분비까지 조정할 수 있게 되어 정확히 원하는 비율의 합금을 생산하는 것이 가능해졌다. 즉 단 한 번의 공정으로 최신 배터리 양극재인 니켈·코발트·망간 합금을 그대로 추출하는 것이 가능하다는 것이다. 이는 폐배터리에서 금속을 추출하는 공정을 크게 간소화할 수 있을 뿐 아니라, 배터리 소재를 생산하는 공정까지 간소화할 수 있다. 아직 상용화 단계에 도달하지는 못했지만 대학이나 국책 연구기관 등에서도 먼 미래를 염두에 두고 다양한 폐배터리 리사이클링 기술 연구를 진행하고 있다.

환경부·제주도·㈜에스에프에코

2023년 12월, 제주특별자치도에서 폐배터리를 초저온으로 냉각해 화재나 폭발 위험을 제거하고 분쇄 후 재활용하는 사업이 시범 추진된다고 밝혔다. 2023년 12월 19일 환경부와 제주도, ㈜에스에프에코는 '제주에서 발생한 전기차 폐배터리를 분쇄해 블랙파우더로 만드는 시범사업 추진 협약(MOU)'을 체결했다. 제주도는 2023년 5월 말 전기차 등록 대수가 3만 5,619대로 전체 차량 가운데 5.1%를 차지하고, 전국 17개 시도 중 전기차 비중이 제일 높은 지역이다. 환경부에 따르면 제주에는 폐배터리 재활용업체가 없어서 육지로 폐배터리를 이송할 경우 화재·폭발 위험이 있다. 2023년 9월 기준 제주테크노파크에 보관된 폐배터리는 재제조·재사용 181대, 재활용 100대 등 총 281대다. 이런 상황 가운데, 환경부와 제주도는 블랙파우더의 해상운송이 가능한 것을 확인했다. 이 시범사업은 액화질소, 액화천연가스(LNG)로 -50℃ 이하의 온도에서 배터리의 전해액을 동결한 뒤 파쇄해 블랙파우더를 만드는 것이다. 기존 폐배터리 전처리 방식과 차이점은 기존 수거→방전→파쇄→선별 방식에서 방전과정을 생략하고 파쇄과정을 초저온 동결파쇄로 대체하는 것이다. 환경부는 이 시범사업에서 폐배터리 운송비용 지원과 관련 제도정비 및 인허가 취득을 지원한다. 제주특별자치도는 부지 제공(유상 임대)과 전기차 사용 후 배터리 공급(유상 매각), 인허가 취득을 지원한다. 에스에프에코는 초저온 동결파쇄 전처리 설비를 설치·운영할 예정이다.

포스코홀딩스㈜

2023년 포스코홀딩스㈜가 포스코에이치와이클린메탈의 이차전지 리사이클링 공장을 준공했다. 해당 이차전지 리사이클링 공장은 연간 블랙파우더 1만 2000톤을 처리해 니켈 2500톤, 코발트 800톤, 탄산리튬 2500톤 등 이차전지 소재의 원료가 되는 금속 자원을 회수할 수 있다. 포스코홀딩스가 2022년 8월 폴란드에 설립한 PLSC(Poland Legnica Sourcing Center) 공장에서 이차전지 스크랩과 폐배터리를 파쇄해 블랙파우더를 만들고, 이를 전라남도 율촌산업단지의 포스코에이치와이클린메탈 리사이클링 공장에 공급해 이차전지 소재 원료 금속을 추출하는 구조이다. 포스코HY클린메탈은 이차전지소재 원료 금속의 회수율을 극대화할 수 있는 공정기술을 보유하고 있으며 공정에서 발생하는 구리, 황산나트륨 등 부산물도 제품화하여 폐기물 발생을 최소화할 수 있다. 포스코에이치와이클린메탈에서 생산한 제품은 같은 율촌산업단지 내 인접한 포스코퓨처엠의 양극재 공장에 공급해 포스코그룹 이차전지 소재 사업의 원료 조달 경쟁력을 강화할 예정이다. 특히 포스코홀딩스는 이번 이차전지 리사이클링공장 준공을 통해 배터리사에서 발생한 공정스크랩 및 폐배터리로부터 원료 금속을 회수하고, 이를 다시 이차전지소재 생산에 활용하는 친환경 자원 순환체계(Closed loop)를 구축해 광산 채굴 등 원료 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소 배출을 최소화하고 원가를 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

리셀987

리셀987은 폐배터리와 배터리 제조공정상 나오는 스크랩에서 100% 가까운 블랙파우더를 추출할 수 있는 기술을 개발했다. 리셀987이 개발한 친환경 금속환원 기술은 폐배터리에 남아있는 잔류 전기를 에너지로 활용해 리튬이차전지 양극재의 산화금속을 다시 금속의 고유 성질로 환원시키는 공정이다. 리튬 배터리의 폭열 위험성이 높아 배터리에 남아있는 전기를 방전시킨 후 전처리 공정에 투입하는 기존 방식과는 다르다. 리셀987의 기술력으로 이차전지의 폭열 반응 등 결함을 강점으로 승화시켜 에너지로 활용했다. 이는 32시간 만에 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등 핵심 광물이 포함돼 있는 블랙파우더를 생산하고 그 속에서 금속을 분리선별 추출해 내는 신기술이다. 리셀 987은 핵심생산기술의 특허등록이 완료된 지난 2021년부터 서울과학기술대학교(STECH), 한국과학기술원(KIST), 한국전자기계융합기술원(KEMCTI) 등 산학연 협업으로 평균 98.7%의 블랙파우더 회수율을 입증했다. 글로벌 배터리 재활용업체의 55~70% 정도인 블랙파우더 회수율 대비 월등히 높은 수준이다. 리셀987의 폐배터리 재활용 공정은 이산화탄소 배출량이 기존 광산 대비 100분의 1 수준으로 매우 낮은 것도 특징이다. 황산을 사용하지 않아 유해물질을 배출하지 않는 친환경 공법이다. 이는 탄소중립 실현과도 맥락이 닿아 있어 배터리 원재료 공급망 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

참고자료

• 서지민 기자, 〈미래 자원 ‘블랙파우더’ 확보한 SK···폐배터리 재활용 밸류체인 구축한다〉, 《시사저널e》, 2022-02-27
• 박두호 기자, 〈리셀987 "폐배터리 활용 블랙파우더 회수율 98.7%"〉, 《뉴스핌》, 2023-03-24
• 국가과학기술연구회, 〈ICT기반 기술로 블랙파우더에서 양극재 물질 찾아낸다〉, 《네이버 블로그》, 2023-03-27
• 김성현 기자, 〈포스코홀딩스, 이차전지 리사이클링 공장 준공...블랙파우더 年 1만2000t 처리〉, 《아주경제》, 2023-07-09
• GSENC, 〈리튬이온 배터리를 채우는 금속광물, 블랙파우더의 세계〉, 《네이버 블로그》, 2023-08-30
• 전승민, 〈‘블랙파우더’ 처리에 미래 자원전쟁의 승패가 달렸다! – 폐배터리 리사이클링 최신 기술〉, 《에스케이에코플랜트》, 2023-10-05
• 김정문 기자, 〈블랙 파우더(Black Powder)〉, 《에코타임스》, 2023-12-06
• 송신용 기자, 〈초저온 동결 파쇄해 블랙파우더로...제주도 전기차 폐배터리 재활용〉, 《포쓰저널》, 2023-12-18

같이 보기

• 리튬
• 배터리
• 폐배터리

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