재활용은 리튬 이온 배터리에 '두 번째 기회'를 제공합니다

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/recycling-gives-lithium-ion-batteries-a-second-chance

수백만 개의 배터리가 더 생산됨에 따라 이를 매립지로 보내지 않는 것이 우선순위입니다.

작년에 글로벌 전기 자동차(EV) 산업이 붐을 이루면서 배터리 출력에 대한 수요가 750기가와트시(GWh)를 넘었 습니다  . 이 중 EV가 그 성장의 95%를 차지했습니다.

이로 인해 배터리 생산 부문을 공급하기 위해 리튬, 코발트, 니켈 및 기타 광물을 더 많이 채굴하게 되었습니다. 글로벌 경영 컨설팅 회사 인 맥킨지앤드코 에 따르면, 배터리에 대한 글로벌 수요는 연간 30% 성장하여 2030년까지 연간 4,500GWh 에 도달할 것으로 예상됩니다.

그러나 현재 EV 산업에 동력을 공급하는 리튬 이온 배터리(LIB)의 운명은 여전히 ​​흥미로운 주제입니다. 배터리는 8년 또는 10만 마일 동안 지속된  후 수명이 다한 것으로 추정되며, 그 후에는 대부분 매립지나 소각장으로 보내집니다.

LIB 재활용은 아직 널리 알려지지 않았습니다. Chemical & Engineering News에 따르면 2019년에는 LIB의 5%만  재활용되었습니다.

그 결과, 2022년 프린스턴 대학교 에너지 및 환경 앤들링거 센터의 한 작가는 "전기 자동차의 많은 부분을 포함하여 수십억 개의 폐리튬이온 배터리가 축적되고 있는데, 이를 되살릴 비용 효율적인 프로세스가 없기 때문입니다."라고 말했습니다 .

소비자가 이러한 장치를 재활용하도록 돕는 것은 환경적 우선순위입니다.  

미국 환경 보호국은 "사용된 리튬 이온 배터리(및 이를 포함하는 장치)를 재활용하면 깨끗한 에너지 전환과 관련된 새로운 문제를 해결하고 부적절한 배터리 폐기로 인한 문제를 예방하는 데 도움이 될 것"이라고 밝혔습니다 .

올해 초, 바이든 행정부는  "소비자 전자 제품 배터리 재활용에 대한 소비자 참여를 늘리고 배터리 재활용의 경제성을 개선하기 위한" 17개 프로젝트를 지원하기 위해 6,200만 달러를 발표했습니다.

"중요한 재료 조달에서 제조, 재활용에 이르기까지 전체 배터리 공급망을 확보하면 미국이 깨끗한 에너지 경제를 구축하는 데 있어 주도적인 역할을 하게 됩니다." 미국 에너지부 장관인 제니퍼 M. 그랜홀름이 3월 백악관 발표의 일환으로 한 말입니다.

LIB의 장점 으로는  사용 가능한 사이클 수명, 연장된 사이클 수명, 빠른 충전 속도, 높은 에너지 효율성이 있습니다. 이러한 특징으로 인해 EV, 에너지 저장, 노트북 컴퓨터, 모바일 기기, 의료 기기, 스마트 워치, 드론과 같은 광범위한 소비자용 전자 제품에 적합합니다.

이미지 출처: Superuser.com

화재 위험

EV는 가솔린 차량보다 화재가 발생할 가능성이 훨씬 낮지만, 특히 소셜 미디어를 통해 EV의 갑작스럽고 자발적인 발화에 대한 놀라운 보고가 있습니다. 이 현상의 핵심에는 " 열 폭주 "라는 것이 있습니다. 이는 발열(열 방출) 반응의 사슬, 반응 속도 증가, 더 많은 발열 반응을 위한 열 증가로 긍정적인 피드백 루프를 형성하는 것입니다 . LIB가 손상되거나 과충전되면 열 폭주를 통해 과열되어 화재가 발생할 수 있습니다. 이러한 화재는 또한 독성 불소 가스 , 특히 불화수소( 유해 가스 ) 및 불화인산을 배출할 수 있습니다.

 안전성을 강화하기 위해 LIB 제조업체는 배터리에 최소 두 개의 안전 장치 (CID(전류 차단 장치) 및 PTC(양의 온도 계수) 장치)를 통합합니다. PTC 장치의 전기 저항은 온도가 상승하면 급격히 상승합니다. 이 증가된 저항은 배터리를 통해 흐르는 전류 속도를 줄입니다.  Journal of Energy Chemistry  에 실린 2021년 연구  에 따르면 냉각 및 셀 밸런스의 향상은 LIB 안전성을 개선하기 위한 여러 전략 중 하나라고 합니다.

생산 문제

LIB 생산에는 남미 소금 평원에서의 리튬 공급 , 중국과 호주에서의 에너지 집약적 생산, 콩고 민주 공화국  (DRC)에서의 코발트 채굴을 포함하여 다양한 우려가 있습니다. 미국은 1990년대에 가장 큰 리튬 채굴국이었지만 2010년에 칠레에 추월당하여 칠레는 중국과 호주와 함께 현재 세계 3대 리튬 채굴국 중 하나가 되었습니다.

 ©Flickr/Enough Project

리튬 추출은 추가적인 문제를 야기합니다. 건조 지역에서는 과도한 물 소비가 필요합니다.리튬 추출은 추가적인 문제를 야기합니다. 건조 지역에서는 과도한 물 소비가 필요합니다. 과도한 물 소비가 필요합니다 . 수질 오염의 원인이, 리튬 추출의 부산물에는 대량의 마그네슘과 석회 폐기물이 포함될 수 있습니다 .. 수질 오염의 원인이 되면 해양 생물에게 치명적일 수 있습니다. 되면 해양 생물에게 치명적일 수 있으며 리튬 추출의 부산물에는 대량의 마그네슘과 석회 폐기물이 포함될 수 있습니다 .

EV 배터리의 또 다른 핵심 구성 요소인 코발트가 소위 갈등 광물로 바뀔 가능성도 있습니다.

"코발트는 지금까지 주석, 탄탈륨, 텅스텐, 금과 같은 '갈등 광물'로 정의된 원자재 중 공급망 법률에 포함되지 않았지만 주목을 받고 있습니다." Jana Hönke 교수와 Lisa Skender는 Infraglob  웹사이트에서 재인쇄한 2022년 블로그 게시물에서 이렇게 말했습니다.

"코발트에 대한 세계적 수요가 급증함에 따라 콩고 민주 공화국의 코발트 광산에서 열악한 노동 조건, 아동 노동 및 착취에 대한 보고가 증가하고 있습니다."라고 그들은 썼습니다. "'윤리적인' 코발트 무역의 맥락에서 인권의 집행 가능성을 높이기 위한 해결책이 논의되고 있습니다."

현재 유럽 연합은 3TG로 알려진 상기 언급된 광물만 강제 노동을 통해 채굴되거나 무장 분쟁에 자금을 지원하는 데 사용되는 것으로 간주합니다. 그러나 DRC의 군대  와 그들의 대규모 코발트 채굴 작업에 대한 새로운 우려가 있습니다. 게다가 중국은  DRC의 가장 큰 광산 7곳을 통제하고 있어 귀금속에 대한 독점에 대한 우려가 커지고 있습니다.

수명 종료 및 재활용 문제

닛산과 테슬라 등 자동차 제조업체들은 LIB의 수명을 8년 또는 10만 마일로 추정   한다고 토비아스 워커는 AZOCleanTech  웹사이트에 기고했습니다.

하지만 그는 “오늘날의 방법을 사용하여 배터리를 5~7년 더 재사용하면 더 깨끗한 환경 솔루션을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 2차 배터리를 사용하면 총 에너지 수요와 지구 온난화 잠재력을 최대 70%까지 줄일 수 있습니다.”라고 적었습니다.

수명이 다한 LIB는 회수하여 재사용할 수 있는 고농축 소재의 자원이기 때문에 탐사와 채굴의 필요성이 줄어들기 때문입니다.

LIB를 재활용하면 매립지로 보내지는 장치의 양도 줄일 수 있습니다  . 이는 코발트, 니켈, 망간 등과 같은 금속이 토양으로 누출되어 지하수를 오염시키는 것을 줄일 수 있습니다. 나아가 LIB를 재활용하면 무력 충돌, 불법 채굴, 인권 침해 및 유해한 환경 관행이 있는 국가에서 원자재 수입을 줄일 수 있습니다.

한편, 배터리 원자재 가격의 변동은 LIB 재활용의 경제성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 특히 코발트의 경우 더욱 그렇습니다. 코발트의 가격은 2019년에 급락하여 제조업체가 재활용 재료보다 새로 채굴된 재료를 선택하도록 유도했습니다.

이러한 과제는 철-공기 배터리 및 나트륨-이온 배터리 와 같은 비리튬 기반 배터리 화학과 같은 대안에 대한 탐색을 촉진했습니다. 와 같은 비리튬 기반 배터리 화학과 같은 대안을 찾는 것을 장려했습니다 . 기타 연구 주제는 향상된 미네랄 효율성 및 에너지 밀도 증가, 향상된 안전성, 비용 절감 및 충전 속도 증가에 관한 것입니다.가연성  및 휘발성이 감소  . 수용성 리튬 이온 배터리, 세라믹 고체 전해질, 폴리머 전해질, 이온성 액체 및 고도로 불소화된 시스템을 사용하여 가연성 및 휘발성이 낮은 LIB를 생산하려는 시도도 있습니다.

'블랙 미사'

일부 LIB 구성 요소(예: 철, 구리, 니켈, 코발트)는 소각과 매립에 안전하지만 재활용도 가능합니다. 코발트는 가장 비싸기 때문에 회수가 재활용의 주요 초점입니다.

LIB 재활용에는 수집, 평가, 분해, 구성 요소 분리를 포함한 여러 단계가 포함됩니다 . 배터리는 매우 자주 파쇄됩니다. 이 공정은 파쇄된 양극과 음극에서 구리 및 알루미늄 호일, 분리막(얇은 플라스틱), 강철 캐니스터 및 전해질과 함께 "검은 덩어리" 또는 과립 물질을 생성합니다.

검은 덩어리는 추가로 재활용되어 새로운 양극과 음극의 재료로 만들어질 수 있습니다. 종종 코발트, 니켈, 리튬과 같은 귀중한 금속이 회수되는 다른 시설로 보내집니다.

©UC Davis Library (CC BY-NC-SA 4.0)

가장 일반적으로 사용되는 접근 방식은 고온로를 사용하여 금속 산화물의 구성 요소를 합금으로 환원한 다음 습식야금으로 다양한 구성 요소로 분리하는 제련 공정인 열분해 야금 입니다. 남은 슬래그는 콘크리트 산업에서 재사용할 수 있습니다.

 열연 야금로 는 코발트, 니켈, 구리를 회수하기 위해 1,500°C(2,700°F)에 가까운 온도에서 작동 하지만, 공정에서 연소되는 리튬, 알루미늄 또는 다양한 유기 화합물은 회수할 수 없습니다  . 이러한 공장은 또한 제련 공정 중에 방출되는 독성 불소 화합물을 처리해야 하기 때문에 높은 자본 비용으로 운영됩니다.

두 번째 공정인 습식야금은  강산을 사용하여 100°C(212°F) 이하의 온도에서 리튬과 기타 금속(열연야금으로 회수)을 회수하는 비용이 덜 들고 에너지 소모가 적은 침출 공정입니다. 그러나 염산, 질산, 황산 및 과산화수소 와 같은 부식성 물질을 사용해야 합니다 .

현재 연구자들은 "음극 대 음극" 재활용 이라고 불리는 세 번째 직접 재활용 공정을 실험하고 있습니다 . 이 공정에서는 음극 구조를 보존함으로써 에너지를 절약하고, 추가 재활용에 필요한 제조량을 줄일 수 있습니다.

리튬이온 배터리 재사용 및 재활용 회사

캐나다 LIB 회수 기업 Li-Cycle 은 2023년에 6,825톤의 블랙 매스 와 관련 소재를  생산했습니다  . 이 회사는 LIB를 분해하거나 배출할 필요 없이 파쇄하고 최소한의 고체 및 액체 폐기물, 연소 위험 없음, 폐수 배출 없음, 대기 중으로의 배출 감소로 처리하는 2단계 공정을 운영합니다.

매사추세츠에서 Ascend Elements는  폐기된 배터리에서 양극을 생산하고 Hydro-to-Cathode 공정을 사용하여 스크랩을 제조하는 데 중점을 둡니다. 이를 통해 전구체와 완성된 양극 소재가 제공되어 나중에 다른 제조업체에서 LIB 생산에 사용할 수 있습니다.

테슬라 공동 창립자 JB Straubel이 설립한 Redwood Materials 는 배터리에서 금속을 회수하고 전기 자동차용 양극과 음극을 생산합니다. 이 회사는 배터리 재료의 수집, 재생, 재활용, 정제 및 재제조를 포함하여 LIB에 대한 완전한 폐쇄 루프 국내 공급망을 개발하고 있습니다. 이 회사는 핵심 배터리 재료의 95% 회수를 주장하고 2025년까지 매년 100만 대의 전기 자동차에 충분한 양극과 음극을 생산하는 것을 목표로 합니다. 이 회사의 습식 제련 시설은 10년 만에 미국 에서 문을 연 최초의 상업적 규모의 니켈 생산 공장  이었으며 수십 년 만에 미국에서 온라인으로 공급되는 유일한 상업적 규모의 리튬 공급원입니다. 기존 광산 프로젝트는 종종 가동되기까지 10년 이상 걸리는 반면, Redwood는 시설을 건설하고 활성화하는 데 약 2년이 걸렸습니다.

향후 몇 년 동안 더 높은 효율성과 지속 가능성을 위한 기회

2030년까지 배터리 재활용을 위한 글로벌 시장 이 130억 달러에 도달할 것으로 예상된다. 따라 , 배터리 공급망을 성장시킬 수 있는 기회가 점점 더 커지고 있습니다. 재활용 시장은 현재 중국과 한국이 주도하고 있는 반면, 특히 서방권의 다른 국가에서는 시장 확대가 보조금 제공과 정부 규제에 달려 있습니다. 아시아 이외 지역의 제조업체는 현재 이 시장에 진출하는 것이 실행 불가능하다고 결정했습니다. 이러한 인식을 바꾸기 위해 정부는 다양한 전자 분야, 특히 전기 자동차에서 중국과 한국과의 경쟁력을 유지하기 위해 기술과 투자 기회를 늘려야 할 것입니다.

한편, 국제 엔지니어를 위한 뉴스를 큐레이팅하는 웹사이트인 Industry EMEA  에 따르면 , 미국 에너지부는 2024년 3월 발표에 더해 배터리 재활용을 위한 신규 자금으로 한편, 미국 에너지부는 2024년 3월 발표에 더해 이미 1억9200만달 러 이상을 지출하겠다고 약속했다. 달러 이상을 지출하겠다고 이미 약속했습니다 . 에너지부는 또한 고급 배터리 연구 및 개발(R&D) 컨소시엄을 출범시키고 리튬 이온 배터리 재활용 상금을 계속 진행하고 있습니다. 이는 2050년까지 미국이 탄소 순제로 경제를 달성한다는 바이든 행정부의 목표를 뒷받침합니다.Industry EMEA  에 따르면 배터리 재활용을 위한 새로운 자금 지원  에 따르면, 배터리 재활용을 위한 새로운 자금 지원에 관한 것입니다 , 국제 엔지니어를 위한 뉴스를 큐레이팅하는 웹사이트입니다. 에너지부는 또한 고급 배터리 연구 및 개발(R&D) 컨소시엄을 출범시키고 리튬 이온 배터리 재활용 상을 계속 진행하고 있습니다. 이는 2050년까지 미국 탄소 순제로 경제를 달성하려는 바이든 행정부의 목표를 뒷받침합니다.

LIB 재활용 산업에 대한 또 다른 혜택은 재활용 재료로 제조된 배터리가 훨씬 더 효율적 이라는 것을 보여주는 연구입니다. 이라는 연구 결과입니다  새로 채굴된 재료를 활용하는 것보다. 개선된 EV 충전과 더 오래 지속되는 배터리의 약속은 앞으로 몇 년 동안 더 지속 가능하고 효율적인 글로벌 청정 에너지 시스템을 개발하는 데 도움이 될 것입니다.

*Robin Whitlock is an England-based freelance journalist specializing in environmental issues, climate change, and renewable energy, with a variety of other professional interests, including green transportation.