2025년이면 전기차와 하이브리드차가 리튬 이온 배터리 시장 90%를 차지할 것으로 보인다. 전기차와 하이브리드차가 하루에 소비하는 배터리양이 막대할 것이다. 화석 연료에서 전기 차량으로의 변경 경쟁에서 새로운 난제가 떠오르고 있다. 전기차에 사용되는 배터리 수백만 개를 어떻게 처리할 것인가? 2016년, 전직 테슬라 임원 두 명이 설립한 스웨덴 배터리 제조사 노스볼트(Northvolt)가 간단한 답을 제시했다. 바로 배터리를 재활용하는 것이다.
스웨덴 중부 지역의 작은 도시인 베스테로스에는 실험용 배터리 재활용 시설이 있다. 노스볼트는 바로 여기서 차량 배터리가 대규모로 재활용된다. 배터리가 화석 연료보다 환경 보호를 위해 더 나을 수 있지만, 여전히 상당한 영향을 미친다. 배터리가 지닌 문제를 해결해 친환경적인 배터리 혁명을 이룬다면, 실제로 배터리 재활용이라는 약속을 지킬 수 있을 것이다.
원자재 채굴과 정제 과정에서 배터리의 온실가스 중 30%가 배출된다. 노스볼트는 배터리에 소모되는 원자재를 다시 가져와 새로운 배터리에 재활용하고자 한다. 변경이 가능하다면, 배터리 재활용이라는 급격한 변화로 기후 위기를 해결하는 데 큰 도움이 될 것이다. 배터리 재활용 계획은 올해 여름부터 진행됐으며, 이미 샘플 셀을 제작 중이다.
노스볼트는 어느 정도 테슬라의 대대적인 배터리 전력에 대한 유럽의 답변이라고 볼 수 있다. 테슬라는 2030년까지 유럽의 차량 배터리 시장을 25% 점유하겠다는 목표로 2019년부터 첫 번째 기가 팩토리를 설립했다. 시범 재활용 시설이 성공한다면, 스웨덴 북부 공업 도시 셀레테프오 외곽지역에 있는 기가 팩토리 바로 옆에 전체 규모의 재활용 공장이 설립될 것이다.
당장 전기차 배터리 재활용을 시행하기에는 복잡한 기술적인 문제가 있다. 배터리 자체를 재활용한다고 해도 노스볼트는 각종 독성 물질과 발화성 화학 물질 등을 지닌 배터리 팩을 공장으로 안전하게 가져갈 방법을 찾아야 한다. 안전과 규제라는 복잡한 절차를 거치는 것이 포함된 과정이다. 노스볼트의 수석 환경 관리자 엠마 네렌하임(Emma Nehrenheim)은 “배터리 팩이 차량에서 분해될 때마다 안전하게 다루어야 한다. 배터리 팩을 안전하게 다루는 데 막대한 비용과 시간이 소요된다”라고 말했다.
배터리가 노스볼트의 재활용 센터로 안전하게 운반된 후, 배터리 분해와 방전 과정이 이어진다. 그러나 배터리를 잘못 분해하면 폭발한다는 문제가 있다. 배터리에 리튬과 니켈, 망간, 흑연, 코발트가 들어있다. 모두 금속과 합금, 플라스틱에 감싸져 있다. 전체 배터리 방전 과정에서 보관된 에너지가 모두 제거되고, 원하지 않는 열 방출을 막는다. 이 때문에 배터리 화재나 폭발이 발생할 수 있다.
[사진=Freepik]
현재 배터리 팩 분해 과정은 수동으로 처리되지만, 네렌하임은 노스볼트가 자동화된 분해 시스템을 한창 설계 중이라고 밝혔다. 이는 배터리 팩 분해 속도를 높일 뿐만 아니라 안전성도 강화한다. 기계가 극복해야 할 주된 장벽은 배터리 설계이다. 두 개의 배터리가 완전히 똑같은 경우가 없다. 재활용 시설에서 어쩔 수 없이 다른 차량 배터리마다 다른 계획을 세워야만 하는 이유이다.
노스볼트는 배터리가 안전하게 분해된 후, 셀과 모듈을 다시 가져와서 셀을 공기가 없는 진공 상태에서 분해한다. 이산화탄소나 산소와 같은 활성 가스가 셀의 재료를 오염시키지 않도록 확인하기 위한 과정이다. 액체 전해질이 증발하고 응축돼, 다른 화학적 과정에 사용된다.
분해된 물질은 다양한 특성에 따라 분류된다. 거대한 체가 더 큰 물질을 모으고, 작은 물질과 분리하는 동시에 자석이 자기와 비자기 금속을 분리하는 모습을 그려보아라. 모두 인근 재활용 시설로 운반된다. 네렌하임은 “재활용 협력 관계에 의존하고 있다. 구리는 노스볼트의 자체 재활용 과정에 포함되지 않았다. 알루미늄도 협력사와 함께 처리하는 대표적인 물질이다”라고 설명했다.
분해된 물질 모두 밀도와 자력, 크기에 따라 분류되고 분리된 후, 흑색 화약 더미만 남는다. 네렌하임은 이를 “검은색 덩어리”라고 부른다. 흑색 화약은 리튬 이온 배터리의 핵심 구성요소인 니켈과 망간, 코발트, 수산화리튬, 흑연으로 구성됐다. 흑색 화약은 습식 제련법이라는 과정을 거친다. 습식 제련법은 산성 목욕(acid bath)을 통해 흑색 화약을 효율적으로 버릴 수 있는 방식이다. 모든 원자재는 흑색 화약과 분리돼, 새로운 전기차 배터리를 생성하는 데 필요한 성분만 남게 된다.
현재 이러한 과정은 상대적으로 느리고 복잡하게 이루어진다. 그러나 노스볼트는 시간이 지나면서 속도가 향상되고, 단순해지기를 바란다. 임페리얼 칼리지 런던의 환경공학 교수인 안나 코레(Anna Korre)는 배터리 셀을 재활용할 수 있는 주된 방법 3가지가 있다고 말한다. 습식 제련법이 그중 한 가지 방법이다. 나머지 두 가지 방법은 건식 제련과 직접 재활용하는 방법이다. 건식 제련 재활용은 배터리 셀을 3,000℃인 용광로에서 추출하는 방식이다. 리튬을 모두 잃게 될 수 있는 매우 강력한 재활용 방식이다. 리튬 이온 배터리를 재활용하고자 할 때, 사용하기에는 이상적인 방법이 아니다.
코레 교수는 “습식 제련은 환경 발자국 측면에서 더 나은 재활용 방식이다. 재활용 과정이 포함될 때, 탄소발자국을 30% 개선할 수 있다”라고 설명했다. 독일 재활용 전문 기업 듀센펠트(Duesenfeld)는 습식 제련 과정을 이용해 배터리를 재활용한다. 벨기에 기업 우미코어(Umicore)는 건식 제련을 이용해 재활용한다.
그러나 노스볼트는 수력 전기를 100% 사용해 배터리 생산 과정에서 100% 전력을 공급한다는 차이점이 있다. 노스볼트가 향후 온실가스 배출량을 추가로 줄일 수 있다는 점을 의미한다. 네렌하임은 “가능한 재활용 비율이 높은 곳을 찾아 탄소 발자국을 줄이려 한다. 스칸디나비아반도 일대에 잉여 수력 발전이 있다”라고 밝혔다.
노스볼트는 광산에서 배터리 생산에 필요한 원자재를 직접 조달하고, 음극 자체도 생산할 예정이다. 광산 인근에서 정제 과정도 할 예정이다. 노스볼트는 추적과 감시가 더 쉬우면서 더 짧고, 지속 가능한 공급망을 구축하고자 한다. 이는 길고 복잡한 글로벌 공급망을 지닌 차량 및 배터리 제조사와는 다르다. 여러 자동차 제조사가 LG화학이나 파나소닉에서 차량용 배터리를 구매한다. 모두 우미코어와 같은 공급사들로부터 음극을 생산하기 위해 재료를 구매한다.
현재 노스볼트는 전기차 배터리의 주요 구성 성분인 코발트 대부분이 채굴되는 콩고민주공화국에서 원자재를 얻지 않는다. 2016년, 국제 앰네스티는 콩고민주공화국 코발트 광산에 아동 노동자 3만 5,000명이 동원된다는 사실을 폭로하는 보고서를 공개했다. 노스볼트는 결과적으로 콩고민주공화국에서 코발트를 채굴하고 싶지만, 지속 가능한 방식과 윤리적인 방식으로 채굴이 가능할 때까지는 콩고민주공화국에서 코발트를 채굴하지 않을 것이라고 밝혔다.
전기차 배터리 재활용은 이미 중요한 문제이다. 또, 전기차 판매량이 증가하면서 전기차 배터리 재활용 문제가 중요해질 것이다. 네렌하임은 “시장 진입과 비용 측면에서 가장 효율적인 재활용 법을 위해 새로운 팩과 전기차 배터리를 생산할 훌륭한 시설을 갖는 것과 관련이 있다. 매년 배터리 셀 2만 5,000t을 재활용할 수 있는 기가 팩토리 공장 1블록이 2022년이면 가동될 전망이다”라고 말했다.
매우 많은 양인 것처럼 들리지만, 실제로는 전기차가 증가하면서 생기는 전체 폐기물 중 극소수에 불과하다. 2019년, 저널 네이처에 게재된 논문에서 연구진은 2017년에 전 세계에서 판매된 100만 대가 넘는 전기차에서 25만t의 배터리 팩의 수명이 다할 것이라고 추산했다. 유럽연합 법률은 배터리 제조사가 차량 배터리의 수명이 다하면 폐차의 배터리를 회수하도록 규정한다. 또, 매립과 소각을 통한 차량 배터리 폐기를 금지한다. 11월 초, 테슬라는 배터리를 회수하지 않았다는 의혹으로 독일 연방환경기구(German Federal Environmental Agency)에 과징금 1,080만 파운드(약 159억 3,421만 원)를 부과받았다.
네이처 연구 논문 공동 저자이자 영국 패러데이 연구소의 리튬 이온 배터리 재활용 프로젝트 수석 조사관인 폴 앤더슨(Paul Anderson) 박사는 “결국 대부분 국가에서 배터리를 매립할 가능성은 작다. 배터리 매립과 독소가 환경 문제를 발생시키는 결과를 막기 위한 강력한 규제가 있기 때문이다”라고 설명했다. 이어, 그는 “배터리를 재활용해야 한다. 배터리를 분해하는 것보다 배터리를 안전하게 만들 수 있는 다른 방법은 없다”라고 덧붙여 전했다.
전기차 배터리를 친환경적으로 생산하는 과정에는 단순히 훌륭한 과학적 지식만 필요한 것이 아니다. 막대한 비용도 지출된다. 올해 7월, 노스볼트는 23억 파운드(3조 3,933억 9,700만 원)의 자본과 부채를 출자해 리튬 이온 기가 팩토리 두 곳을 개발하고, 재활용 연구 개발을 늘리는 데 지원한다고 발표했다. 또한, BMW와 폭스바겐, ABB, 지멘스와 같은 기업의 투자를 받았다. 동시에 유럽투자은행에서 3억 1,500만 파운드(4,647억 4,785만 원)를 대출받았다.
현재 유럽이 전기차 세계에서 선두를 차지하고 있지는 않지만, 노스볼트는 친환경 배터리를 추진에 앞장서기를 바란다. 불룸버그NEF의 2020년도 리튬 이온 배터리 공급망 순위 발표에 따르면, 중국이 전 세계 원자재 정제의 80%를, 전 세계 배터리 셀 수용량의 77%, 전 세계 배터리 부품 제조 60%를 차지하는 것으로 확인됐다. 코레 교수는 “중국의 문제는 현재 중국의 에너지 공급 상당수가 석탄에 의존하고 있다는 점이다. 이는 탄소 발자국 수치가 매우 높다는 의미이다. 광범위하게 제기된 또 다른 우려는 환경 규제 그 자체이다”라고 지적했다.
유럽과 세계 각지의 청정 및 친환경 경쟁사에서 받는 압박이 현재 추세를 바꿀 수 있다. 앤더슨 박사는 미래의 배터리 공장이 자체적으로 재활용 공장을 설립하든 아니면, 인근 시설과의 상업적 협력 관계를 체결하든 재활용 공장을 함께 둘 것으로 예상한다. 그 이유는 탄소 발자국 때문만이 아닐 것이다. 앤더슨 박사는 “대중이 친환경 정보에 대해 어떤 주장을 하든 재활용 공장이 어느 정도 자동적으로 발생할 것이다”라고 주장했다. 이어, 그는 “제조사의 이윤이 달려있다. 생산 고철이나 품질 관리를 절대 통과하지 못하는 고장 난 셀을 제조사가 회수하는 것이 타당하다”라고 설명했다.
노스볼트는 2030년까지 노스볼트의 배터리 제작에 사용되는 원자재 50%는 재활용된 소재이기를 바란다. 노스볼트는 이 때까지 유럽 시장에서 25%의 점유율을 차지한다는 목표를 세웠다. 네렌하임은 “스웨덴에서 말하는 것처럼 핵심 중 극소수만 취하려는 것이 아니다. 노스볼트는 단순히 탄소 발자국이나 코발트 재활용만 이야기하는 것이 아니다. 노스볼트는 누구나 구매하는 제품을 이해하고, 전체 공급망에서 재생에너지 평가 방식을 이해할 수 있도록 확인하는 것을 이야기하고 있다”라고 말했다.
** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)
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