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[버티브] 리튬이온 배터리 재활용의 현주소

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[무료 웨비나] 차세대 비전 시스템에서 JAI Go-X 시리즈를 활용하는 방법 (3/2, 온라인)


요약
데이터 센터에서 리튬이온 배터리 사용이 보편화하고 있다. 하지만 비용과 지속가능성 측면에서 리튬이온 배터리 재활용에 관한 회의적인 시각은 계속되고 있다. 사람들은 흔히 리튬이온 배터리를 대부분 매립지에 매립한다고 생각하고, 또 재활용을 하더라도 용광로에서 소각해서 몇 가지 금속을 회수하는 것을 제외하고 모든 것을 태워버리는 것으로 생각한다. 

 

5년 전만 하더라도 이렇게 처리하는 것이 일반적이었다. 하지만 이제는 점점 더 많은 기업이 배터리로부터 유용한 광물을 더 많이 회수하고 폐기물은 최소화하는 재활용 프로세스를 도입하고 있다. 기업은 리튬이온 배터리 재활용을 통해 지속가능성은 높아지고 배터리로부터 회수한 광물의 가치가 높아짐으로써 전반적인 재활용 비용을 상쇄하는 것이 가능해지고 있다.

 

이 글에서는 리튬이온 배터리 재활용을 둘러싸고 어떤 새로운 동향들이 나타나고 있고, 어떤 새로운 재활용 프로세스들이 도입되고 있으며, 새로운 프로세스들이 기존 배터리 재활용 기법과 어떻게 다르고, 어떤 리튬이온 배터리가 더 많은 가치를 회수할 수 있는지 등등을 알아본다.

 

배경 정보

 

리튬이온 배터리는 일반 스마트폰, 개인 노트북, 전동 공구에서부터 하이브리드카와 자율주행차에 이르기까지 수없이 다양한 소비 기기에 전원 소스로서 사용된다. 1970년대와 1980년대에 세 사람의 연구가 오늘날 리튬이온 배터리에 이르고 있다.

 

미국인인 M. 스탠리 휘팅엄과 존 B. 구디너프가 최초로 배터리에 사용하기 위한 화학 소재를 개발했으며, 일본인인 아키라 요시노가 최초로 상용화 재충전가능 리튬이온 배터리를 만들었다. 그리고 1991년에 소니가 핸드헬드 캠코더에 이 배터리를 채택했다. 세 사람 모두 2019년에 노벨 화학상을 수상했다.

 

이 기술은 이미 수십 년 전에 등장했으나, 데이터 센터에서 리튬이온 배터리가 처음 사용되기 시작한 것은 약 10여 년 전이다. 데이터센터에서 중요 인프라의 가동을 유지하기 위한 수단으로서 무정전 전원공급장치(UPS) 시스템에 리튬이온 배터리를 사용한다. 

 

데이터 센터에서 리튬이온 배터리는 해를 거듭할수록 더 인기를 얻고 있다. 이것은 리튬이온 배터리가 신뢰할 수 있는 성능을 달성하고, 유지보수를 적게 필요로 하고, 풋프린트를 적게 차지하고, 고온에서 안정적으로 동작하고, 높은 전력 밀도가 가능하기 때문이다. 리튬이온 배터리는 납축전지(VRLA)에 비해 수명이 4배나 더 길기에 배터리 교체 횟수를 줄이고 인건비를 절감할 수 있다.

 

크기가 더 작고 무게가 더 가볍기에 UPS 시스템에 리튬이온 배터리를 사용해서 공간을 절약하고, 장소 유연성을 높이고, 층 무게 한도를 더 잘 충족할 수 있다. 하지만 데이터센터 분야에서 리튬이온은 비교적 새로운 기술이기 때문에 리튬이온 UPS 시스템을 재활용하는 것은 자동차 분야에 비하면 이제 막 태동기에 있다고 할 수 있다. 

 

리튬이온 배터리 재활용 기술이 탄력을 받기 시작한 것은 자동차 분야에서 수명을 다한 배터리가 더 이상 무시할 수 없을 만큼 상당한 규모가 되었을 때이다. 현재 아시아가 전세계 배터리의 90% 이상을 생산하며, 중국이 전 세계 전기차에 있어 44%를 차지한다. 그만큼 배터리를 많이 소비하므로 중국은 리튬이온 재활용 기술에 있어서도 일찍부터 움직여왔다.

 

리튬이온 배터리는 특정 애플리케이션의 필요에 맞게 맞춤화 되는데(예를 들어, 데이터 센터에 사용되는 것과 자동차나 노트북PC 또는 스마트폰에 사용되는 것이 같지 않음) 재활용 프로세스는 모든 유형이 마찬가지다. 그러므로 차량용 배터리를 처리하도록 설계된 설비로 데이터 센터로부터의 리튬이온 배터리도 손쉽게 재활용할 수 있다. 

 

유럽은 리튬이온 생산이나 소비 모두에 있어 아시아보다 규모가 훨씬 작기는 하나, EU 위원회는 리튬이온 재활용을 강화하기 위한 노력을 펼치고 있다. 이것은 유럽 연합이 오래 전부터 환경 보호를 위한 규정을 마련해 왔던 것과도 일치한다. 이러한 노력이 결실을 맺고 리튬이온 재활용에 관한 규정이 좀 더 완비된다면 이 기술에 대한 투자가 늘어나고 기술 혁신이 가속화할 것으로 기대한다.

 

중국이나 유럽과 비교하면 미국은 리튬이온 배터리 재활용 법제화에 있어서 뒤쳐져 있으나(특히 데이터 센터 분야), 리튬이온 배터리로부터 고가의 광물을 재활용하는 것이 경제적 이득으로 이어지게 되면서 점점 더 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

 

한 가지 짚고 넘어갈 점은 데이터 센터 분야에서 리튬이온 배터리는 비교적 새로운 기술로서, 1세대 배터리들이 아직 현장에서 사용 중에 있으며 수명 연한까지는 몇 년이 더 남았다는 것이다. 따라서 리튬이온 배터리 재활용 인프라를 구축하기까지는 아직 시간 여유가 있다. 

 

최근 리튬이온 배터리 재활용 프로세스

 

리튬이온 배터리가 수명이 다해 재활용 설비로 옮겨지면 먼저 배터리를 방전해서 남아 있는 에너지가 없도록 한다. 그 다음에는 배터리를 수작업으로 분해하고 부서뜨리거나 또는 배터리 모듈을 파쇄기에 넣어서 파쇄한다. 그러면 작은 입자들의 무더기가 생기는데, 이것을 체로 걸러 입자 크기별로 분류한다. 이렇게 해서 구리나 알루미늄 같이 리튬이온 배터리 전극을 형성하는 데 사용된 물질들을 회수한다.

 

이 단계를 거치고 남은 물질이 재활용 업계에서 ‘블랙 매스’라고 부르는 것이다. 이는 모래보다 고운 검정색 분말인데, 공기 중으로 날리지 않는다. 블랙 매스는 리튬이온 배터리 제조 비용의 상당 부분을 차지하는 값 비싼 활성 물질들을 포함한다. 재활용 기업들은 흔히 하이드로메탈러지(hydrometallurgy, 습식제련)라고 하는 화학 공정을 사용한다.

 

이것은 수용성 용액을 사용해서 블랙 매스로부터 금속들을 분리 및 회수하는 것이다. 이 공정으로 배터리 물질의 최대 98%를 회수할 수 있으며, 화학적 분리를 거쳐서 새로운 배터리를 만드는데 필요로 하는 정도의 순도를 달성할 수 있다.

 

리튬이온 배터리에 사용되는 고가의 광물들

 

코발트, 니켈, 리튬, 망간은 데이터 센터 리튬이온 배터리에 사용되는 네 가지 비싼 광물이다. 코발트는 최근에 논란의 중심으로 떠올랐다. 뉴스 기사에 따르면, 전세계 코발트 매장량의 절반이 콩고 민주공화국에 매장돼 있는데 이 나라에서 아동 노동 문제가 윤리적 우려를 낳고 있다.

 

이 기사는 전세계 리튬 자원의 절반이 남미의 ‘리튬 삼각지대’에 매장돼 있는데, 이 지역의 광산 회사들이 노동자들을 착취하고 주민들의 거주 환경을 파괴한 혐의로 고소를 당했다고 전했다. 이에 코발트와 리튬을 윤리적으로 구매하고자 함에 따라 이들 광물의 가격이 크게 뛰어오르고 있는 것이다.

 

이러한 추세로 인해 제조사들은 재활용을 통해 회수한 코발트로 눈을 돌리고 있다. 이것을 ‘도시 광산’이라고 부른다. 이러한 노력으로 코발트를 땅속에서 채굴하는 것이 아니라 사용을 마친 배터리로부터 회수된 코발트를 조달한다. 코발트나 리튬과 달리, 니켈과 망간은 지역적으로 편중돼 있지 않으므로 보다 용이하게 조달한다.

 

재활용 기업에 있어 니켈은 금전적 가치면에서 코발트로부터 한참 격차가 벌어진 2위다. 하지만 니켈은 에너지 저장 시스템(ESS)에서 갈수록 그 역할이 중요해지고 있다는 점에서 마찬가지로 가치가 높아지고 있다. 배터리 제조사들 역시 에너지 밀도를 높이고 코발트에 대한 의존도를 낮추기 위해 니켈 함량을 높이거나 코발트를 사용하지 않는 배터리 설계를 개발하고 있다.

 

이 점 역시 니켈에 대한 수요를 높이고 니켈 가격을 올리는 요인이다. 리튬은 모든 리튬이온 배터리에 공통적인 소재지만, 재활용회사에게 코발트나 니켈보다는 가치가 덜하다. 각각의 배터리가 소량의 리튬만을 함유하기 때문이다.

 

하지만 앞서도 언급했듯이 리튬 채굴과 관련한 논란 때문에 앞으로 좀더 많은 회사가 윤리적인 구매를 위해 재활용을 통해 회수된 리튬을 조달하고자 할 것이다. 망간은 앞서 언급한 광물들처럼 지역적으로 편중돼 있거나 비싸지 않으므로 재활용 기업 입장에서는 코발트, 니켈, 리튬만큼 사업성이 좋지는 않을 것이다.

 

오늘날 시장에서 주로 사용되는 배터리 소재들

 

재활용 기업은 배터리를 처리해 코발트와 그 밖에 다른 값 비싼 광물을 더 많이 회수할수록 이것을 공급 사슬에 되팔아서 더 많은 수익을 낼 수 있다. 그러면 오늘날 시장에서 주로 사용되는 세 가지 리튬이온 배터리 유형과 각각의 유형이 소재 특성에 따라 재활용에 있어 어떤 가치가 있는지 알아보자. 

 

• NMC(nickel manganese cobalt oxide)는 코발트와 니켈을 함유하므로 재활용 가치가 가장 높다. 재활용회사들은 이미 NMC 배터리 재활용으로부터 수익을 내고 있다. 

• LMO(lithium manganese oxide)는 코발트와 니켈을 함유하지 않으므로 재활용 가치는 중간 정도다. 

• LFP(lithium iron phosphate)는 리튬만이 가치가 있는 광물이므로 셋 중에서 재활용 가치가 가장 낮다. 리튬이온 배터리는 비용 절감 측면에서 많은 이점이 있지만, LFP 배터리는 사용되는 소재의 가격이 재활용 비용보다 더 비쌀 수 있다.

 

 

환경, 건강, 안전에 미치는 영향

 

지난 몇 년 사이 VRLA 배터리 재활용에 대한 관심이 크게 높아졌으며 많은 자원이 투입돼왔다. 여기에는 두 가지 이유를 들 수 있다. 첫 번째는 이들 배터리에 함유된 납 성분과 관련해서 건강 및 환경적 영향에 대한 인식이 확산된다는 점과, 두 번째는 대부분의 자동차와 데이터 센터 UPS 시스템에서 압도적인 다수가 VRLA 배터리를 사용하기 때문이다.

 

납과 관련한 공공의 안전 요구를 충족하기 위해 VRLA 배터리 재활용 기술과 프로세스를 향상시켜야만 하는 압박이 거세지고 있다. 리튬이온 배터리는 환경적으로 납축전지만큼 유해하지는 않을 것이다. 하지만 오늘날 놀랄 만큼 많은 수의 리튬이온 배터리가 땅에 매립되고 있다. 2019년에 재활용 가능한 18만 미터톤의 리튬이온 배터리 중에서 절반 이상이 땅에 매립됐다.

 

이 가운데 상당 부분이 소비 기기에 사용된 것이다. 이것은 또 다른 문제이기는 하나, 시사하는 바는 동일하다. 지속가능성에 대한 의식이 있는 기업이라면 새롭게 떠오르는 리튬이온 재활용 기업과 협력해 확장성 있는 재활용 계획을 수립해야 할 것이다. 버티브는 이러한 노력을 시작하고 있다. 

 

리튬이온 배터리 재활용의 선두주자들

 

서두에서도 언급했듯이, 중국은 정부의 압박과 세계에서 리튬이온 배터리를 가장 많이 소비한다는 점에서 재활용 기술과 인프라 개발에서 앞서고 있다. 그러므로 중국이 일정한 규모로 최신 리튬이온 배터리 재활용 설비를 건설한 최초의 국가가 된 것이 그리 놀랄 일은 아니다.

 

2019년에 세계 최대의 리튬이온 배터리 제조사인 CATL은 배터리 생산을 위한 폐루프 시스템을 구축하기 위해 자사의 리튬이온 재활용 자회사인 광동 브룬프에 투자했다. 이 설비는 올해 초에 증설에 들어갔으며, 현재 연간 폐배터리 처리 용량은 12만 톤에 달한다.

 

북미 지역은 아직 본격적으로 설비를 건설하고 있지는 않지만, 최근의 보도는 많은 이들로 하여금 이 지역에서 리튬이온 배터리 재활용에 대해 낙관적인 전망을 갖게 하고 있다. 라이 사이클은 리튬이온 물질을 회수하고 공급 사슬로 되돌려 보내는 캐나다의 신생 회사로서, 단 5년 만에 5억8000만 달러의 자금을 확보하고 2021년 8월 10일에 상장회사로 데뷔했다. 

 

업계에서 화제가 되고 있는 또 다른 회사는 레드우드 머티리얼즈다. 테슬라의 공동 창업자인 J. B. 스트라우벨이 설립한 이 회사는 미국에서 이미 최대의 리튬이온 배터리 재활용 회사가 되었으며 10억 달러를 들여서 백만 평방피트에 달하는 공장을 건설할 계획이다. 이 공장이 완공되면 세계에서 가장 큰 배터리 처리 공장이 될 것이다.

 

남미 역시도 베올리아 같은 회사들이 등장하면서 수명을 다한 배터리 운송에 있어 진전을 이루고 있다. 이 회사는 리튬이온 배터리를 비롯한 다양한 폐기물을 취급하고 운송하며, 이 업계의 물류 사업자로서 자리잡아가고 있다. 이 회사들과 이들이 민수 및 공공 시장에서 거둬들이는 수익을 보면 이 산업이 점차 타당한 사업 모델이 되어가고 있으며 미래에 성장 잠재력이 상당하다는 것을 알 수 있다.

 

수명이 다한 리튬이온 배터리 운송

 

재활용 기업들은 트럭들이 동일한 소재의 배터리를 가득 싣고 동일한 시간에 동시에 도착하기를 바랄 것이다. 그것이 재활용회사들에게 더 효율적이기 때문이다. 하지만 현재로서는 소수의 회사들만이 소량의 리튬이온 배터리를 수집 및 운송한다. 이뿐 아니라 재활용 가능한 리튬이온 배터리를 대량으로 운송하기 위해서는 새로운 리튬이온 배터리를 운송하는 것과 마찬가지의 규제들도 뒤따른다.

 

재활용 프로세스가 어느 정도 성숙 단계에 이르면 리튬이온 재활용회사들은 각각의 배터리로부터 더 많은 물질을 추출하고 그럼으로써 운송에 수반되는 비용을 상쇄할 수 있을 것이다. 그러면 운송과 물류에 대한 투자가 늘어날 수 있을 것이며, 배터리를 폐기하고자 하는 데이터 센터 사업자들은 비용을 절감하고 편의성을 높일 수 있을 것이다.

 

데이터 센터 리튬이온 배터리 재활용을 위한 분해 이점

 

전기차용 제품과 비교할 때, 데이터 센터에 사용되는 리튬이온 배터리는 재활용을 하기 위한 분해가 용이하다는 이점이 있다. 전기차에 사용되는 배터리는 대형의 방수 인클로저 안에 탑재되므로 배터리를 꺼내기가 까다롭다. 전기차 배터리는 상당한 양의 전자장치와 냉각 시스템을 장착하고 있다.

 

이러한 장치들은 배터리 무게를 늘릴 뿐 아니라, 재활용 기업으로 가져왔을 때 재활용 기업이 더 많은 비중의 원치 않는 소재를 처리하게 만든다. 데이터 센터에서는 개별 리튬이온 배터리 모듈을 캐비닛 안에 탑재한다.

 

배터리 제어 시스템이 물리적으로 분리돼 있으므로, 배터리 모듈을 재활용하고자 할 때 시스템에서 제거하기가 훨씬 쉽고, 분리해야 하는 비 배터리 성분이 더 적으므로 재활용 기업의 처리 부담을 덜 수 있다. 이러한 특성들 덕분에 전기차 배터리와 비교해 데이터 센터 리튬이온 배터리 재활용의 경제성을 높일 수 있다.

 

맺음말

 

전문가들에 따르면, 도로 상의 전기차 수는 2020년 1000만 대에서 2030년에는 1억4500만 대로 늘어날 전망이다. 정확한 수치까지는 아니더라도 데이터 센터 분야에서의 리튬이온 수요 역시 비슷한 추세로 증가할 것으로 예상할 수 있다. 리튬이온 배터리 기술은 데이터 센터 UPS 시장에서 상당한 점유율을 차지한다.

 

블룸버그의 전망에 따르면, 현역에서 물러나는 배터리가 수백만 개로 증가할 것으로 예상됨에 따라 배터리 재활용 기업들은 곧 ‘황금기’를 맞을 것으로 보인다. 북미에서 리튬이온 재활용 산업은 초기 단계에 있으나, 고가 광물 채굴로 조달하는 방식에 대한 의존도를 낮추기 위한 기술 개발을 위한 투자가 강화되고 있다.

 

데이터 센터 사업자들 입장에서는 리튬이온 배터리로부터 소재를 재활용하기 위해 일부 재활용회사들이 중고 NMC 배터리 모듈을 비용을 지불하고 구매하기 시작했지만, 다른 소재의 배터리들은 여전히 재활용을 위해 어느 정도 처리 비용이 들어간다.

 

하지만 어떻든 재활용은 이들 배터리가 땅에 매립되는 것을 막을 수 있으므로 기업의 지속가능성 노력에 보탬이 될 것이다. 이러한 노력이 성공적이기 위해서는 재활용이 양측 모두에게 경제적인 이득이 될 수 있도록 재활용 기업이 폐루프 사업 모델, 신뢰할 수 있는 물류 네트워크, 규제 준수 프로세스 등을 도입하고 처리 규모를 확대할 필요가 있다.

 

리튬이온 배터리 재활용은 가능하며, 중국과 북미에서 모든 당사자들이 합심해서 노력하고 있는 것을 보면 이 기술에 대한 수요와 투자 기회가 충분히 있다는 것을 알 수 있다. 앞으로 우리는 리튬이온 배터리 재활용을 지금보다 더 편리하게 할 수 있게 될 것이며, 재활용회사들은 더 많은 수익을 내고, 기업들은 지속가능성을 높이게 될 것이다. 

 

헬로티 서재창 기자 |














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