2035년이면 도로를 주행하는 차가 모두 전기차로 바뀔 것이다. 가스 차량과 디젤 차량 주행은 머지않아 과거의 일이 될 것이며, 유럽연합은 이미 친환경 차량 전환 속도를 높이면서 기후변화 문제를 완화하고자 내연기관 차량 판매를 금지했다. 사실, 전기차는 주행 도중 이산화탄소를 배출하지 않는다. 다만, 교체형 배터리가 자체적인 특성 때문에 환경과 사회적 우려를 낳는다. 교체형 전기차 배터리에는 비싼 금속 재료가 거의 없다. 배터리 수명이 다한 뒤에는 재활용이 어렵다.
일반 리튬이온 배터리는 수많은 개별 셀로 구성돼, 그 무게는 총 수백kg에 달한다. 닛산 리프(Nissan Leaf)의 배터리 팩은 총 192개의 파우치 셀로 구성됐으며, 테슬라 모델 S는 총 7,104개의 실린더 셀을 장착했다. 모두 하나의 유닛으로 제어할 수 있도록 나사 조립과 결합, 접착된 모듈로 고정되었다. 오래된 배터리가 쌓이면서 차량 제조사와 배터리 제조사, 연구원 모두 배터리를 매립지에 폐기하는 일이 없도록 노력한다.
재활용 업체는 주로 배터리 셀에서 가치 있는 금속과 광물을 추출하는 데 큰 관심을 보인다. 배터리 셀에서 자원을 추출하는 과정은 복잡하고, 위험하다. 철로 제작한 케이스를 제거한 후 배터리 팩을 셀과 조심스럽게 분해해 유해 물질이 소량이라도 다른 곳으로 새어 나가는 일이 없도록 해야 한다. 음극과 양극 사이에서 리튬이온 이동을 담당하는 액체인 전해질을 가열하면, 발화하거나 폭발할 수 있다. 팩을 완벽하게 분리했을 때만 무사히 리튬과 니켈, 구리, 코발트를 채취할 수 있다.
이미 사용한 음극에서 코발트는 중고 배터리의 광물 중 수요가 가장 높다. 원재료 형태일 때, 매우 드물고 푸른빛이 섞인 회색인 코발트는 콩고민주공화국에 채굴량이 압도적으로 많다. 이 때문에 현지 광물 채굴 시설 근로자 대다수가 극도로 위험한 조건에서 근무한다. 전 세계 전기차 제조사는 인권 문제와 공급망 부족, 가격 급등 현상 때문에 꺼리는 코발트 사용을 중단하는 추세이다.
재활용 업체가 가장 귀중한 광물이 없는 배터리도 분해할 가치가 있는지 의문을 제기할 수 있다. 스완지대학교 에너지 보관 전문가인 제니 베이커(Jenny Baker) 박사는 “지속가능한 자원으로 변경할 때, 저렴한 원재룟값과 재활용 및 중고 부품 회복 노력의 장점이 사라진다”라고 말했다. 이어, 소비자 가전제품의 저가 스마트폰 판매가가 제품 수리나 재활용 비용보다 더 저렴하다는 난제와 같다고 언급했다.
전기차 자체가 드문 상황에서 재활용 자체 만이 문제가 아니었다. 국제 에너지 기구(IEA)는 2020년 말까지 전 세계 도로를 달리는 전기차와 버스 수가 총 1,100만 대에 육박했으며, 2030년에는 그 수가 1억 4,500만 대에 이를 것이라고 추산했다. 운전자 2~3명꼴로 IEA의 전기차 사용자 범위에 해당하지 않았다.
전기차 수요가 계속 급등하면서 배터리 소모량도 마찬가지로 증가한다. 영국 패러데이 연구소(Faraday Institution)의 연구팀은 2017년 전기차 판매 실적을 기준으로 보았을 때, 처리되지 않은 배터리 25만 t이 15~20년 뒤에 수명을 다할 것이라고 추산한다. 50만 큐빅m의 중고 배터리에 해당하며, 이는 올림픽 수영장 200개를 추울 수 있을 정도이다. 다만, 일부 배터리는 차량 충돌 시 초기에 수명을 다하거나 다른 산업에서 재사용하는 등 재활용하게 될 수도 있다.
[사진=Freepik]
런던 컨설팅 기관 서큘러 에너지 스토리지(Circular Energy Storage) 추산에 따르면, 전 세계의 중고 배터리의 원재료 복구 능력은 연간 83만 t 상당의 원재료를 채취할 수 있는 수준이다. 한스 에릭 메린(Hans Eric Melin) 서큘러 에너지 스토리지 관리 총괄은 “중고 전기차 배터리 시설 상당 부분이 중국에 있으며, 다른 국가 시장은 접근할 수 없다. 중국 법률상 폐건전지 수입이 금지되었기 때문이다”라고 설명했다. 중국 기업은 리튬이온 배터리 공급망 2/3 이상을 차지했다. 그러나 메린 총괄은 폐건전지 수입 금지 문제는 동남아시아 재활용 기업을 통해 해결할 수 있다고 말한다.
아우디와 포르쉐 등 여러 브랜드를 보유한 폭스바겐 그룹은 독일 북부 지역 잘츠기터의 신규 공장에서 시범 단계로 연간 배터리 최대 3,600개를 재활용한다. 광물 가공 업계도 배터리 재활용 시장 진출에 관심을 보인다. 오스트리아 광물 기업인 네오메탈스(Neometals)는 독일 SMS 그룹과 업계 규모 배터리 분해 공장 건설 협력을 체결했다. 배터리 분해 공장은 독일에 설립될 예정이며, 독일이 유럽 최대 차량 제조 국가라는 사실을 고려했을 때 아주 이상적인 지역이라고 볼 수 있다.
유럽연합의 자금 지원을 받는 지속가능한 혁신 기관 EIT 이노에너지(EIT InnoEnergy) 산업 전략 최고 관리자 보 노마크(Bo Normark)는 “배터리 재활용이 대중의 생각보다 매우 시급하다고 생각한다”라고 말했다. 리튬이온 배터리의 수명은 10년 이상이므로 수명이 다한 전기차 배터리가 쌓일 때까지 어느 정도 시간이 걸릴 것이다. 그러나 실질적으로 지금 당장 배터리 생산 과정에서 재활용 배터리 폐기 과정을 준비해야 한다. 폐기 과정에는 생산 과정에서 생성된 폐기물 혹은 적격성 검사를 통과하지 못한 배터리 분해 작업이 포함된다.
그러나 배터리 재활용 작업 규모를 확장하기 전, 업계는 재활용 접근방식을 재고해야 한다. 오늘날 재활용 방식은 기초 단계에 불과하며, 배터리 셀에서 가치가 높은 자원을 추출하도록 설계된 수준에 불과하다. 버밍엄대학교 연구 펠로인 개빈 하퍼(Gavin Harper)는 뱀과 사다리 타기 보드게임(snakes and ladders board game)과의 부분적인 유사성과 비교하면서 현재 리튬이온 배터리 생성 및 재활용 과정을 설명했다. 플레이어가 사다리 가장 아래 단계에서 원재료로 게임을 시작하고, 위 칸으로 이동하면서 배터리를 생성한다. 그리고, 최종 단계에서는 배터리를 완전히 재활용한다는 목표를 둔다. 플레이어가 몇 칸 아래로 미끄러지도록 하는 뱀은 각각 길이가 다르며, 여러 가지 재활용 단계와 비슷하다고 할 수 있다.
또 다른 방법인 습식 제련은 산성 물질과 다른 용해 물질을 이용해 블랙 매스에서 금속을 추출한다. 하퍼는 습식 제련 방식이 보드게임의 길이가 짧은 뱀과 같다고 말한다. 같은 크기의 배터리를 분해했을 때, 건식 제련보다 더 많은 원재료를 추출할 수 있기 때문이다. 다만, 에너지 소모량이 많으면서 유해 가스와 폐수를 지나치게 생성한다는 단점이 있다.
하퍼는 “배터리 재활용의 신성한 점은 약간 혼란스러운 직접적인 재활용 관련 아이디어이다”라고 말했다. 간단히 말하자면, 음극을 배터리 셀에서 분해해, 화학 과정을 통해 재생성하고는 셀로 다시 만드는 것이다. 하퍼는 배터리 재활용 작업에 집중하는 미국 연구 협력 기관이자 에너지부의 자금 지원을 받는 리셀 센터(ReCell Center)를 언급하며, “배터리 재활용을 위한 엄청난 노력이 이루어지고 있다”라고 말했다. 영국과 유럽도 마찬가지로 배터리 재활용 노력을 적극적으로 펼치고 있다.
일부 연구 기관과 기업, 스타트업 모두 리튬이온 배터리를 재활용할 최선책을 찾고 있으나 다른 여러 기관은 상대적으로 저렴하고 지속가능성이 뛰어난 배터리 개발 작업을 진행 중이다. 중국 제조사 CATL과 BYD는 이미 리튬인산철 배터리를 생산 중이다. 리튬인산철 배터리는 리튬이온 배터리보다 저렴하면서 유해 물질이 적고, 코발트를 채택하지 않는다는 장점이 있다. 또한, 전 세계 매장량이 상대적으로 적은 리튬 대신 매장량이 풍부한 소듐을 주원료로 채택한 소듐이온 배터리를 차세대 전기차 배터리로 만들기 위한 노력도 이어지고 있다.
베이커 박사는 재활용을 귀중한 금속을 배터리 팩에서 채굴하는 과정이라고 생각해서는 안 된다고 주장한다. 그는 “재활용 가치는 단순히 원재료가 아닌 여러 요소의 결합과 배터리 설계 및 결합 방식이다”라고 말했다. 즉, 배터리를 당장 재활용하려면, 처음부터 배터리를 완전히 재설계해야 한다는 의미이다.
** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)
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