본문 바로가기 주메뉴 바로가기 검색 바로가기
배터리 재활용 경쟁
상태바
배터리 재활용 경쟁
수백만 대의 EV가 곧 출시될 예정이지만, 세계는 그들의 낡은 배터리를 위한 준비가 되어있지 않다. 많은 스타트업들이 이 10억 달러 문제를 해결하기를 원한다.
by DANIEL OBERHAUS, WIRED US

매일 수백만 개의 리튬이온 배터리가 네바다주 스파크스에 있는 테슬라(Tesla) 기가팩토리(Gigafactory)에서 생산된다. 파나소닉(Panasonic)이 현장에서 생산한 이 배터리들은 새로운 테슬라의 배터리 팩에 함께 묶일 운명이다. 그러나 모든 배터리가 길 위에서 평생 꺼지는 것은 아니다. 파나소닉은 남쪽으로 차로 30분 정도 떨어진 카슨시티의 한 시설로 자격시험을 통과하지 못한 배터리 트럭을 실어 나른다. 배터리를 원료로 조리한 반기가공장(anti-Gigafactory)이 되겠다는 포부로 2017년 창업한 소기업 레드우드 머티리얼즈(Redwood Materials)의 집이다.

레드우드는 아직 존재하지 않는 문제를 해결하기 위해 경쟁하고 있는 새로운 스타트업의 일부분이다. 전성기가 지난 전기자동차에서 산더미처럼 쌓인 배터리를 재활용하는 방법. 지난 10년간 전 세계의 리튬이온 생산능력은 EV의 증가하는 수요를 충족시키기 위해 10배 증가했다. 이제 그 첫 생산의 움직임에서 나온 자동차들은 이제 막 수명이 다하기 시작하고 있다. 이로 인해 더 많은 전기차가 도로를 덮칠수록 더 심해질 수밖에 없는 사용후 배터리의 쓰나미가 시작되었다. 국제에너지기구는 차마다 수천개의 배터리을 가득 채운 EV의 수가 향후 10년간 800퍼센트 증가할 것으로 예측하고 있다. EV 혁명의 추악한 비밀은 그것이 전자 폐기물 시한폭탄을 만들었다는 것이다. 그리고 리튬이온 재활용이 그것을 막는 유일한 방법이다.
 
[사진=UNSPLASH]
[사진=UNSPLASH]

레드우드의 CEO 겸 설립자 J. B. 스트라우벨(J. B. Straubel)은 대부분의 사람들보다 그 문제를 더 잘 이해한다. 결국, 그는 그것을 만드는 데 중요한 역할을 했다. 스트라우벨은 공동 창업자로 지난해까지 테슬라의 CTO였으며 회사의 모든 직원을 한 손에 셀 수 있을 때 합류했다. 그가 그곳에서 일하는 동안, 그 회사는 스포츠카를 파는 엉터리 스타트업에서 지구상에서 가장 가치 있는 자동차 제조업체로 성장했다. 이 과정에서 테슬라는 세계 최대 배터리 생산회사 중 하나가 되기도 했다. 하지만 스트라우벨이 보기에, 그 배터리는 사실 문제가 되지 않는다. 그는 "주요 기회는 재사용과 회복을 위해 이 자료를 생각해보는 것이다. 이 모든 배터리들이 유통되고 있기 때문에, 결국 우리가 다시 제조하는 생태계를 구축할 것이라는 것은 너무나도 명백해 보인다."라고 말했다.

리튬이온 배터리를 비활성화하는 방법에는 크게 두 가지가 있다. 건식야금법(pyrometallurgy)이라고 불리는 가장 일반적인 기술은 원하지 않는 유기 물질과 플라스틱을 제거하기 위해 그것들을 태우는 것을 포함한다. 이 방법은 원래 재료의 일부분만 재활용하게 한다. 일반적으로 현재의 수집기에서 나오는 구리와 음극에서 나오는 니켈이나 코발트만 재활용한다. 제련이라고 불리는 일반적인 화로법은 화석연료를 연료로 하는 용광로를 사용하는데, 이 용광로는 환경에 좋지 않고, 그 과정에서 알루미늄과 리튬이 많이 손실된다. 그러나 그것은 간단하고, 광공업의 광석을 가공하기 위해 현재 존재하는 제련공장은 이미 배터리를 취급할 수 있다. 미국에서 재활용되는 리튬이온 배터리의 소량(모든 사용 전지의 5퍼센트) 중 대부분은 용련로에 들어가게 된다.

다른 접근법은 습식야금법(hydrometallurgy)라고 불린다. 침출술이라고 불리는 이 기술의 일반적인 형태는 리튬이온 세포를 강한 산에 담가 금속을 용액으로 녹이는 것을 포함한다. 리튬을 포함한 더 많은 물질들이 이런 방법으로 회수될 수 있지만 침출수는 단점이 있었다. 재활용자들은 원하지 않는 플라스틱 케이스를 제거하고 배터리의 전하를 빼기 위해 배터리를 미리 가공해야 하므로 비용과 복잡성이 증가한다. 사용후 리튬이온 배터리가 1990년대 초 첫 상용전지가 시판된 이후 줄곧 폐기물로 처리된 것도 한몫한다. 새 물질, 특히 리튬을 채굴하는 것이 침출로 회수하는 것보다 몇 배나 싼 경우가 많았다.

삼나무는 이러한 귀중한 물질들을 회복하기 위해 건식야금법와 습식야금법을 조합하여 사용한다. 첫째, 반사 은색 열복을 입은 기술자들은 금속을 분리하기 위해 배터리를 변환기에 넣고 조리한다. 기존의 제련 과정에서처럼 화석연료를 사용하여 물질을 태우는 것이 아니라, 레드우드의 파이로(pyro) 기법은 전해질의 유기체와 같은 배터리의 잔류 에너지를 사용하여 변환 과정을 추진한다. 남은 물질은 수문합금 과정을 통해 여과되어 개별 화합물을 회수하는 금속 합금이다.

스트라우벨은 회사의 회수 기법의 구체적인 내용은 밝히지 않았지만 배터리의 니켈, 코발트, 구리, 알루미늄, 흑연의 95~98%와 리튬의 80% 이상을 회수할 수 있다고 주장한다. 

배터리가 레드우드의 재활용 시설을 통과할 때쯤에는 배터리 제조 공정에 재분해될 준비가 된 탄산리튬, 황산 코발트, 황산 니켈 등 기본적인 재료로 분해된다. 스트라우벨은 "우리는 이 모든 배터리로 재제조 생태계를 구축할 것이다. 금속 원자의 본질적인 분해는 없어 물질은 거의 무한히 재사용될 수 있다."라고 말한다.

리튬이온 재활용에 수반되는 많은 도전은 리튬이온 재활용을 처리하는 시설이 배터리를 조리하기 위해 특별히 설계되지 않았다는 사실에서 기인한다. 그러나 배터리 재활용의 선봉에 서 있는 사람들은 전용 시설을 만드는 것이 업계의 경제를 향상시킬 것으로 기대하고 있다. 캐나다 배터리 재활용 업체인 리사이클(Li-Cycle)의 공동 창업자인 팀 존스턴(Tim Johnston)은 "볼륨이 증가하기 시작했기 때문에 리튬 이온 배터리를 위해 특별히 설계된 맞춤형 공정에 초점을 맞추고 있다. 역사적으로 배터리는 폐기물로 간주되었고, 우리는 배터리에 자원으로 초점을 맞추어서 배터리의 머리를 돌리려고 한다."라고 말했다.

리사이클은 북미에서 가장 큰 리튬이온재활용회사로서 복구에 있어 레드우드와는 다른 접근법을 취한다. 이 회사의 공정은 제련 작업을 완전히 생략하고 침출만으로 배터리를 재조립한다. 첫째로, 그들은 배터리를 동시에 방전하고 잘게 찢는 통에 떨어뜨린다. 다음으로, 배터리들은 그 안의 금속을 풀기 위해 단계별 화학 욕조를 통해 이동한다. 이 과정은 거의 모든 것을 다시 사용 가능한 원료로 변환시킨다. 즉, 배터리의 분리기에서 나온 플라스틱은 얇은 조각으로, 현재의 수집기는 구리와 알루미늄 포일로, 양극에서 나온 흑연은 탄소 농축물로 변하고 니켈, 코발트, 리튬과 같은 음극 물질은 개별적으로 회수되어 새 건전지로 다시 태어날 수 있다.

존스톤은"우리는 많은 양의 쓰레기를 배출하지 않는다. 많은 양의 대기배출량을 배출하지 않고 폐수도 생산하지 않으며 모든 것이 저온에서 이뤄져 탄소 발자국이 매우 작다."라고 말했다.

논쟁의 여지 없이, 리사이클에서 가장 중요한 혁신은 화학적 과정이 아니라 재활용 시설의 설계 자체다. 리사이클은 "허브와 스포크(물류 시스템)" 접근법을 사용하는데, 이 접근방식은 미국과 캐나다의 서로 다른 현장에서 배터리가 사전 처리되는 것으로, 각각은 배터리를 검은 질량으로 바꾸는 모듈식 공장이다. 생산공장은 이 불활성 물질을 다시 중앙 허브로 공급하고, 그곳에서 그것은 사용 가능한 배터리 등급의 화학물질로 정제된다. 현재 리사이클은 온타리오와 로체스터에서 생산공장을 운영하고 있으며, 2022년 뉴욕에 첫 상업 중심지를 열 수 있는 주 정부의 허가를 받았다.

각 생산 공장의 생산 기계는 배터리 생산 설비나 시 저장 장소와 감손한 배터리가 이동하는 거리를 최소화하기 위해 화물 컨테이너 속에 포장되어 있다. 이 시스템은 리튬이온 재활용에 있어 가장 중요한 장애물 중 하나를 비켜간다. 리튬이온 재활용은 단순히 필요한 곳에 쓰레기를 갖다 놓는 것이다. 이 배터리는 연방정부에서 9등급 위험물질로 지정되어 있으며, 이는 이동 중 화재나 폭발 위험을 줄이기 위해 엄격하고 비용이 많이 드는 운송 제한을 받는다는 것을 의미한다.

제련과 표백은 리튬이온 폐기물로 인해 급격히 증가하고 있는 과제를 해결하는 가장 빠른 방법이지만, 최선의 방법은 아닐 수 있다. 그들의 최종 제품은 배터리 등급의 재료지만, 이것들은 그들이 다시 감방으로 돌아갈 준비가 되기 전에 여전히 많은 처리를 필요로 한다. 예를 들어, 배터리의 음극은 성능을 향상시키기 위해 나노로 설계된다. 그래서 일부 배터리 전문가들은 결정 나노 구조를 파괴하지 않고 음극 물질을 구하는 직접 회수라는 과정을 연구하고 있다. 이것은 그 재료를 재사용하는 비용을 극적으로 줄일 것이다.

에너지부는 2019년 아르곤 국립연구소를 대상으로 리튬이온재활용 기술 향상에 주력하고 있는 리셀센터를 지도하도록 도킹했다. 그 목표의 핵심 부분은 직접적인 재활용이다. 아직 재활용 배터리에게는 이른 시기지만, 이 센터의 과학자들은 이 접근법의 가능성을 증명해 보이기를 바라는 몇 가지 직접적인 재활용 과정을 생각해냈다. 그들은 이미 실험실에서 이러한 많은 기술로 배터리 자재를 성공적으로 회수했지만, 벤치탑 데모는 규모 면에서 경제적인 방법으로 가는 첫 번째 단계일 뿐이다.

아르곤네 국립연구소의 교통시스템 분석가인 린다 게인스(Linda Gaines) 재활용배터리 센터 수석 과학자는 "이 센터의 목표는 산업계가 이 문제를 떠맡도록 설득할 수 있는 무언가를 고안하는 것이다. 규모가 확대되면 이것이 어떻게 될 것인가에 대한 모든 질문에 대답할 필요가 있다."라고 말했다.

직접적인 재활용에 대한 문제는 세포가 물질적 회복을 염두에 두고 설계되지 않았다는 것이다. 대신에, 그것들은 오랫동안, 그리고 가능한 한 저렴하게 에너지를 생산하도록 제조된다. 일반적으로 말해서, 재활용은 재고 고려사항도 아니다. 그리고 이것은 배터리를 분해하는 것을 어렵게 만든다. 개별 배터리는 화학적으로 연결한 여러 구성 요소(때로는 용접)를 작은 부피에 혼합하여 사용하는 복잡한 시스템을 가지고 있다. 이것들은 강한 산이나 극한의 온도 없이 추출하기 어려워진다.

일단 게인즈와 동료들은 이미 존재하는 배터리의 구조를 어떻게 구할 것인지에 초점을 맞추고 있다. 미래에는 배터리를 재활용하기 위해 만들 수 있지만, 그것이 비용대비 효과적이고 성능에 영향을 미치지 않는 경우에만 가능하다. 게인스는 "재활용을 위해 디자인하는 것은 매우 중요한 분야지만 성능을 전혀 희생할 수 없고 아무도 하고 싶어하지 않을 것이다. 사실 명확하지 않은 것을 공격하는 가장 좋은 방법을 이용한 좋은 일이 많지 않았다."라고 말했다.

하지만 재활용 노력을 개선하기 위해 배터리 시스템을 제조하는 방식에 다른 많은 변화가 있을 수 있다고 아셀러론(Aceleron)의 CTO인 칼톤 커민스(Carlton Cummins)는 말한다. 그는 EV의 내세를 조사하기 시작한 후 2015년에 이 회사를 공동 설립했으며 "배터리 외 대부분의 자동차를 재사용할 수 있다는 것을 깨달았다. 수리, 재사용 또는 업그레이드를 위해 설계된 것은 아니다. 당시 핵심 초점은 값싸고 신속하게 짓는 것이었다."라고 말했다. 그 결과 EV나 고정식 보관용 배터리 팩에 사용되는 셀은 배터리당 수십 개의 배터리를 연결하는 여러 개의 배터리를 용접을 하는 경향이 있어 하나의 단위로 제어할 수 있다. 커민스는 이것이 가전업계에서 빌린 편의 기술이라고 말하지만, 업그레이드나 재활용을 위해 자동차 배터리 팩을 분해하는 것은 현저히 더 어렵게 만든다고 한다.

그 문제에 대한 아셀러론의 해결책은 매우 간단하다. 커민스와 그의 팀은 다양한 종류의 셀에 사용할 수 있는 배터리 용기를 용접 연결 없이 연결하도록 설계했다. 이 회사의 배터리 플랫폼인 설카(Circa)는 단단한 케이스에 배터리를 압축하고 탈착식 회로를 사용하여 배터리를 연결한다. 이는 개별 셀이 고장나거나 팩 주인이 더 나은 배터리로 업그레이드하고 싶을 경우 너트와 볼트를 풀어 셀을 교환할 수 있다는 것을 의미한다. 커민스는 "오늘날 배터리의 설계 방식은 모든 것이 용접되고 접착되어 있으며, 사용 종료 시 폐기된다는 가정으로 하고 있다. 재활용뿐만 아니라 재사용할 수 있도록 설계된 것으로 배터리를 조립하는 방법을 재창조해야 했다."라고 말했다.

리튬이온재활용자들이 충족시켜야 할 기술적, 정치적, 경제적 난제들이 여전히 많고, 성공은 보장되지 않는다. 예를 들어 코발트는 대부분의 EV 배터리에서 가장 비싼 소재지만 배터리 제조업체들은 코발트 없는 새로운 화학물질을 쫓고 있다. 이 귀중한 광물이 제조업체에 다시 팔리지 않는다면 재활용자들이 여전히 물질적 회복의 가치를 찾을 수 있을지는 불확실하다. 하지만 차세대 배터리 재활용업체들은 리튬이온 공급망에서 고리를 닫고 이를 하면서 돈을 벌 수 있는 방법을 찾을 수 있을 것이라고 장담하고 있다. 만약 그들이 옳다면, 그들은 검은 덩어리를 녹색 혁명으로 바꿀지도 모른다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 배효린 에디터)

<기사원문>
The race to crack battery recycling before its too late
와이어드 코리아=Wired Staff Reporter huyrin1@spotv.net
이 기사를 공유합니다
RECOMMENDED