현재의 배터리 기술은 지속 가능한가?

Nnamdi Anyadike
2022년 4월 20일
5분 분량

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/is-current-battery-technology-sustainable

리튬 이온(Li-ion) 배터리 시장은 지난 10년 동안 엄청난 속도로 성장해 왔으며, 향후 10년 동안 최소한 같은 속도로 계속 성장할 것입니다. 경량 및 중장비 전기 자동차(EV)의 배터리는 주요 성장 동인 중 하나입니다. 최신 보고서에 따르면, 2030년에는 총 설치된 리튬 이온 배터리 용량의 77%를 차지할 것으로 예상되는데, 2019년의 51%에서 증가한 수치 입니다.

©Circular Energy Storage

앞으로 몇 년 동안 EV 시장에서 배터리 재사용 및 재활용에 영향을 미칠 몇 가지 변화가 예상됩니다. 여기에는 새로운 배터리 기술의 도입, 자율 주행차(AV)의 등장, 차량과 배터리의 새로운 소유 모델이 포함됩니다. 그러나 수명이 다한 양은 시장에 출시된 양보다 느리게 증가할 것입니다. 새로운 애플리케이션과 배터리가 이전 애플리케이션보다 훨씬 오래 지속되기 때문입니다.

불가피하게 리튬 이온 배터리의 생산, 사용, 재활용 또는 최종 폐기의 영향에 대한 의문이 제기됩니다. 2021년 " 리튬 이온 배터리 수명 주기 보고서 "는 재활용이 "복잡"하며, 엄격한 규제로 인해 구성 요소 분해 작업이 너무 부담스러워지면 더욱 복잡해질 수 있다고 말합니다. 또한 낭비적일 수도 있습니다. 보고서는 "2030년에 재사용되는 리튬 이온 배터리의 총량은 145기가와트시(GWh) 또는 799,000톤이 될 것이고, 170GWh 또는 820,000톤이 재활용될 것"이라고 예측합니다. 그럼에도 불구하고 이는 재사용보다 재활용되는 배터리가 더 많아 보일 수 있지만, 대부분의 재활용은 휴대용 기기 및 개인용 모빌리티 차량의 셀 및 팩과 같이 수명 주기가 짧은 배터리에서 이루어질 것입니다.

재활용 과제는 여전히 장애물로 남아 있습니다

오늘날 사용되는 주요 리튬 배터리 유형은 6가지이며, 각각 재활용성이 다릅니다. 리튬 코발트 산화물(LCO) 배터리는 휴대전화, 태블릿, 노트북, 카메라와 같은 소형 휴대용 전자 기기에 가장 많이 사용됩니다. EV 배터리에서는 리튬 철 인산(LIP), 리튬 망간 스피넬, 리튬 바나듐 산화물을 포함한 리튬 이온 화학의 변형이 우세합니다. 장수명 LIP 배터리가 인기를 얻고 있습니다. 이러한 배터리는 최소 10년 이상 지속되고 7000회 이상의 충전/방전 주기를 거칠 수 있습니다.

그럼에도 불구하고, 더 긴 수명이 파이프라인에 있습니다. LG Chem은 리튬-망간 스피넬 배터리가 최대 40년까지 지속될 수 있다고 주장합니다. 리튬 바나듐 산화물 배터리는 10~20년 수명을 가진 장수명 EV 배터리 혁신의 또 다른 사례로, 이미 Subaru 프로토타입 G4e에 적용되었습니다.

오하이오 주립 대학교 예술과학대학(CAS) 의 과학 콘텐츠 엔지니어인 Zachary Baum은 배터리 재활용에는 여전히 상당한 물류 및 안전 문제가 있다고 말합니다 . 첫 번째 문제는 폐기장에서 재활용 시설로 수명이 다한 배터리를 운송하는 것입니다. 그는 Supply Chain Digital에 "장거리 또는 국제 운송이 필요한 경우 비용이 많이 들 수 있습니다."라고 말했습니다.리튬이온 배터리 재활용은 EV가 계속해서 인기를 얻으면서 엄청나게 중요해지겠지만, 오하이오 주립 대학교 예술과학대학(CAS) 의 과학 콘텐츠 엔지니어인 Zachary Baum은 배터리 재활용에는 여전히 상당한 물류 및 안전 문제가 있다고 말합니다 . 첫 번째 문제는 폐기장에서 재활용 시설로 수명이 다한 배터리를 운송하는 것입니다. 그는 Supply Chain Digital에 "장거리 또는 국제 운송이 필요한 경우 비용이 많이 들 수 있습니다."라고 말했습니다.

두 번째 과제는 안전입니다. "1,000파운드 EV 배터리는 매우 가연성이 높습니다." Baum이 지적했습니다. "이러한 문제를 균형 있게 조정하면 배터리 재활용이 환경적으로 효율적이고 수익성 있게 진행되기가 매우 어려울 수 있습니다." 그는 계속해서 말했습니다. 이 두 가지 고려 사항 외에도 배터리의 가장 귀중한 금속을 효율적으로 추출하는 방법이라는 문제가 있습니다.

LI 배터리는 일반적으로 분해 및 재활용을 염두에 두고 설계되지 않았기 때문에 종종 장치 전체를 부수어야 합니다. 현재 세대의 LI 배터리에는 오늘날 대부분 차량에서 사용되는 납산 배터리보다 독성이 적은 니켈, 코발트 및 망간이 포함되어 있지만 이는 위험할 수 있습니다. 니켈이나 코발트 없이 만든 LIP 양극의 등장으로 Li 배터리의 전력 및 재활용 측면을 모두 해결하는 더 저렴하고 안정적이며 위험성이 낮은 솔루션이 탄생했습니다. Tesla는 최근 하위 범위 차량에서 이 기술로 전환할 것이라고 발표했습니다.

새로운 리튬이온 배터리 재활용 공장

다중 금속 공급업체이자 재활용 회사 인 Aurubis AG는 3월에 함부르크에 있는 새로운 시범 공장에서 시험 운영을 시작한다고 발표했습니다. 이 시설은 리튬 이온 배터리에서 나오는 "블랙 매스"를 처리할 것입니다. 블랙 매스는 니켈, 코발트, 망간, 리튬, 흑연을 함유한 금속 농축물로, 습식 제련에 적합합니다. 분말 형태의 잔류물입니다. 회수된 금속은 새로운 배터리와 기타 제품에 사용됩니다. Aurubis CEO인 Roland Harings는 본격적인 상업용 공장에 약 2억 2,000만 달러를 투자할 것으로 예상합니다. Harings는 "Aurubis가 향후 5년 내에 산업 규모의 배터리 재활용 공장을 가동할 것이라고 확신합니다."라고 말합니다.독일의 다중 금속 공급업체이자 재활용 회사 인 Aurubis AG는 3월에 함부르크에 있는 새로운 시범 공장에서 시험 운영을 시작한다고 발표했습니다. 이 시설은 리튬 이온 배터리에서 나오는 "블랙 매스"를 처리할 것입니다. 블랙 매스는 니켈, 코발트, 망간, 리튬, 흑연을 함유한 금속 농축물로, 습식 제련에 적합합니다. 분말 형태의 잔류물입니다. 회수된 금속은 새로운 배터리와 기타 제품에 사용됩니다. Aurubis CEO인 Roland Harings는 본격적인 상업용 공장에 약 2억 2,000만 달러를 투자할 것으로 예상합니다. Harings는 "Aurubis가 향후 5년 내에 산업 규모의 배터리 재활용 공장을 가동할 것이라고 확신합니다."라고 말합니다.

새로운 공장은 독일 쿠펜하임에 있는 Mercedes의 운영 시설을 기반으로 하며, 이 자동차 제조업체가 배터리 재활용에 진출하여 앞으로 원자재 공급에 대한 의존도를 낮출 것입니다. 회수된 재료는 재활용 루프로 다시 공급되어 Mercedes의 EQ(Electric Intelligence) 차량 제품군에 사용되는 50,000개 이상의 배터리 모듈을 생산합니다.독일 자동차 제조업체인 Mercedes-Benz는 Primobious와 협력하여 독일에서 배터리 재활용 공장을 설계하고 건설할 예정입니다. 이 파트너십은 Primobious의 50% 자회사인 Neometals와 Mercedes-Benz의 자회사인 LICULAR GmbH를 통해 수행됩니다. 새로운 공장은 독일 쿠펜하임에 있는 Mercedes의 운영 시설을 기반으로 하며, 이 자동차 제조업체가 배터리 재활용에 진출하여 앞으로 원자재 공급에 대한 의존도를 낮출 것입니다. 회수된 재료는 재활용 루프로 다시 공급되어 Mercedes의 EQ(Electric Intelligence) 차량 제품군에 사용되는 50,000개 이상의 배터리 모듈을 생산합니다.

이 공장은 연간 2,500톤(또는 하루 최대 10톤)의 공칭 용량을 갖추고 2단계로 건설될 예정입니다. 1단계는 내년인 2023년에 시작될 예정입니다. Neometals의 상무이사인 크리스 리드는 "리튬 배터리 재활용은 자원 보존, 탈탄소화, 공급망 회복력을 지원하며, 메르세데스가 회수된 재료를 재사용하려는 목표를 달성하도록 돕게 되어 기쁩니다."라고 말했습니다.

프랑스 광산 그룹인 에라멧은 3월에 환경 서비스 그룹인 수에즈와 공동으로 2024년까지 프랑스에 EV 배터리 재활용 시설을 개발할 수 있다고 발표했습니다. 이 회사는 재활용이 2030년까지 유럽 연합의 니켈 요구량의 20%, 블록의 리튬 요구량의 25%, EV 배터리의 코발트 수요의 12%를 충당할 수 있는 잠재력에 기여할 것으로 보고 있습니다. 두 파트너는 리튬 이온 배터리 재활용 공장을 건설하기 전에 올해 산업적 규모의 재활용을 위한 다양한 솔루션을 연구할 예정입니다. 이 공장은 블랙 매스 금속 농축물을 생산할 것이고, 에라멧은 이 블랙 매스를 배터리 등급 제품으로 전환하기 위해 2025-2026년까지 별도로 정유 공장을 개발할 예정입니다. 계획된 블랙 매스 시설과 마찬가지로 정유 공장은 프랑스에 위치할 것입니다.한편, 프랑스 광산 그룹인 에라멧은 3월에 환경 서비스 그룹인 수에즈와 공동으로 2024년까지 프랑스에 EV 배터리 재활용 시설을 개발할 수 있다고 발표했습니다. 이 회사는 재활용이 2030년까지 유럽 연합의 니켈 요구량의 20%, 블록의 리튬 요구량의 25%, EV 배터리의 코발트 수요의 12%를 충당할 수 있는 잠재력에 기여할 것으로 보고 있습니다. 두 파트너는 리튬 이온 배터리 재활용 공장을 건설하기 전에 올해 산업적 규모의 재활용을 위한 다양한 솔루션을 연구할 예정입니다. 이 공장은 블랙 매스 금속 농축물을 생산할 것이고, 에라멧은 이 블랙 매스를 배터리 등급 제품으로 전환하기 위해 2025-2026년까지 별도로 정유 공장을 개발할 예정입니다. 계획된 블랙 매스 시설과 마찬가지로 정유 공장은 프랑스에 위치할 것입니다.

리튬이온 배터리 재활용 전망

1차 리튬과 코발트 매장량의 급속한 고갈은 불가피하게 배터리 제조업체가 재활용 방향으로 더욱 단호하게 움직이도록 강요할 것입니다. 현재의 모든 리튬 이온 배터리 재활용 방법은 에너지 집약적이고 비효율적입니다. 그러나 현재 부상하고 있는 대안적인 접근 방식은 수명이 다한 배터리를 파쇄하는 대신 분해하여 오래된 배터리로 새 배터리를 만드는 것입니다. 이 방향에서 유망한 것으로 보이는 가장 최근의 획기적인 발전은 Princeton NuEnergy 의 한 팀에서 개발했습니다 . 오래된 배터리를 분해하고 재사용 가능한 요소를 추출하는 이 방법은 저온 플라즈마(이온화 가스)를 사용합니다. Azo CleanTech에서 보도한 바와 같이, "Princeton NuEnergy 팀의 전략은 국제 상거래 및 운송 수요의 상당 부분을 제거하여 다른 국가가 지역 배터리 재활용을 확대할 수 있는 길을 열었습니다."

규정도 역할을 할 것입니다. 오늘날 재활용은 배터리 제조업체의 우선순위로 간주되지 않습니다. 그러나 유럽과 미국에서는 배터리 제조업체가 모든 수거, 보관 및 재활용 비용을 조달하도록 강제하는 규정이 파이프라인에 있습니다. 사용된 리튬 이온 배터리의 환경적으로 효율적인 관리를 보장하기 위한 적절한 프로세스 체인이 이미 만들어지고 있습니다. 이를 통해 리튬 이온 배터리의 보다 지속 가능한 미래를 위한 길이 열릴 것입니다.

*Nnamdi Anyadike is an industry journalist specializing in metals, oil, gas, and renewable energy for over thirty-five years.