전기차 배터리는 어떻게 재활용되나?

전기 자동차(EV) 배터리 재활용은 지속 가능한 전기 운송 시스템에 매우 중요합니다. 2050년까지 전기화에 필요한 주요 광물의 상당 부분을 재활용 배터리에서 얻을 수 있으므로 새로운 채굴의 필요성이 크게 줄어들 것입니다.

하지만 배터리를 어떻게 재활용하느냐에 따라 큰 차이를 만들 수 있습니다. 광물 회수율이 높고 환경에 미치는 영향이 적은 재활용 공정을 사용해야 합니다. 이 글에서는 배터리를 재활용하는 다양한 방법과 올바른 재활용이 중요한 이유에 대해 설명하겠습니다.

여기에 요약된 세 가지 재활용 유형에 대해서는 재활용 전에 반드시 거쳐야 하는 전처리 과정을 포함하여 나중에 자세히 설명하겠습니다. 이 기술은 혼란스럽고 복잡할 수 있으므로 이 글의 마지막에 이탤릭체로 표시된 단어에 대한 용어 섹션을 포함했습니다.

습식 제련 재활용은 광물 회수율이 높고 환경에 미치는 영향이 적기 때문에 현존하는 최고의 기술입니다. 이 기술은 액체 용액을 사용하여 광물을 분리합니다.

직접 재활용은 아직 개발 중이지만 환경에 미치는 영향이 적고 양극을 그대로 회수하므로 배터리 제조 공정의 한 단계를 생략할 수 있습니다. 직접 재활용은 습식 제련 재활용보다 리튬 회수율이 낮지만 스크랩 및 리튬-철-인산(LFP) 배터리 제조에 이상적입니다.

고온 야금 재활용(제련)은 리튬, 알루미늄 또는 망간을 회수하지 못하고 환경에 가장 큰 영향을 미치기 때문에 그다지 이상적이지 않은 기술입니다. 또한, 생산물은 배터리 제조를 위해 준비되기 전에 추가적인 습식 야금 정제 단계를 거쳐야 합니다.

재활용 프로세스

	회수율	환경 영향 최소화	최고 품질의 결과물 회수	이상적인 대상
습식 제련 재활용	니켈, 코발트, 리튬, 망간 90-99% 함유	O	X	니켈 및 코발트 함유 배터리
직접 재활용	니켈 및 코발트 90%, 리튬 50%	O	O	저가형 배터리  제조 스크랩 및 미사용/노후 배터리
고온 야금 재활용	합금에서 니켈 및 코발트 회수율 0%, 리튬 회수율 0%	X	X

전처리

재활용하기 전에 자동차 해체업체가 전기차에서 배터리를 분리하여 배터리 재활용업체로 배송합니다. 재활용 업체는 배터리 팩을 더 작은 모듈로 분해합니다. 

이러한 모듈은 일반적으로 직사각형이며 도미노 상자처럼 팩에 서로 맞물려 있습니다. 각 모듈 안에는 직사각형 배터리 셀이 들어 있습니다. 테슬라는 셀이 직사각형이 아닌 원통형인 다른 디자인을 사용합니다.

고온 야금 재활용은 배터리 전체를 태우므로 모듈 또는 셀 수준까지 분해한 후 재활용할 수 있습니다. 습식 제련 및 직접 재활용 방법은 더 높은 가치의 제품을 얻기 위해 여러 셀 층을 서로 분리해야 하므로 추가적인 전처리가 필요합니다.

이러한 추가 단계에서는 모듈 또는 셀을 기계식 파쇄기를 통과시켜 작은 조각으로 분리합니다. 그런 다음 체, 자석, 쉐이커 테이블을 통해 결과물을 구분하여 리튬, 코발트, 니켈이 포함된 분말을 분리합니다(이 분말을 블랙 매스라고 합니다).

습식 제련 재활용

• 높은 회수율: 니켈, 코발트, 리튬 90-99%
• 환경에 미치는 영향이 적음
• 니켈 및 코발트 함유 배터리에 이상적

습식 제련은 액체 및 화학 기반 용액을 사용하여 위에서 언급한 전처리에서 회수된 유용한 금속(블랙 매스)이 포함된 분말에서 광물을 회수합니다. 블랙 매스 파우더에는 양극(음극)과 음극(양극)을 알루미늄과 구리 포일(집전체)에 붙이는 접착제(결합제)가 포함되어 있습니다.

재활용 업체는 전극을 포일에서 분리하기 위해 화학적 전처리와 열 전처리라는 두 가지 큰 공정을 사용합니다. 화학적 전처리는 산을 사용하여 접착제를 용해하지만, 잔여물을 태우기 위해 열처리와 같은 추가 공정을 거쳐야 합니다. 

열 전처리만으로도 접착제와 음극을 가열하고 태워 포일에서 양극과 음극을 분리할 수 있습니다. 연소 과정에서 가스가 발생하므로 스크러버를 포함한 추가 정화 장비가 필요합니다.

이 열처리는 기술적으로는 고온 야금 재활용 공정으로 간주되지만, 아래의 고온 야금 섹션에서 설명하는 제련과는 크게 다릅니다. 이 공정은 회수되는 코발트, 리튬, 니켈의 상태를 변화시키지 않기 위해 낮은 온도를 사용합니다.

그런 다음 리사이클러에는 광물이 포함된 분말이 남습니다. 먼저, 이 분말을 과산화수소와 황산과 같은 액체에 용해(침출)합니다. 다음으로, 용액에서 유용한 금속을 추출하는 것이 목표입니다. 한 가지 접근 방식은 용매 추출입니다. 

이 기술은 용해도가 다른 두 가지 액체(예: 기름과 물)를 사용하여 미네랄을 자연스럽게 분리합니다. 이렇게 하면 미네랄이 액체와 분리되어 쉽게 수집할 수 있습니다.

이 과정에서 발생하는 폐수는 반드시 수처리를 거쳐야 합니다. 일부 작업장에서는(전부는 아니지만!) 이 물을 시설 내에서 재사용합니다. 

또한 이 공정에서는 세제와 같은 가정용품을 만드는 데 사용되는 값싸고 안전한 부산물인 황산나트륨이 대량으로 생성됩니다.

습식 야금 재활용의 물질 생산량은 사용되는 화학 물질과 공정에 따라 달라집니다. 일부 기업의 최종 제품은 양극 전구체이며, 이는 니켈-망간-코발트(NMC)와 같은 광물(양극 전구체)의 혼합물을 회수한다는 의미입니다. 

이러한 미네랄을 함께 회수하는 것은 재활용업체의 제품을 구매하는 배터리 제조업체가 양극 전구체를 만들 필요가 없기 때문에 이상적입니다. 

다른 방법은 새 전극을 만드는 데 사용되는 개별 물질(리튬, 코발트, 황산니켈 또는 탄산염)을 회수합니다. 회수율은 고유한 공정에 따라 다르지만, 한 회사의 경우 음극 재료의 회수율이 99%에 달한다고 보고했습니다.

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직접 재활용

• 높은 회수율: 니켈 및 코발트 90%, 리튬 50%
• 환경에 미치는 영향 최소화
• 최고 품질의 제품 회수
• 이상적인 대상
  리튬-철-인산염과 같은 저가 배터리
  제조 스크랩 및 미사용/노후 배터리

직접 재활용은 새 배터리를 제조할 수 있는 재생된 양극 전극을 만드는 것입니다. 이 프로세스는 아직 개발 중이지만 리튬인산철(LFP)과 같이 코발트나 니켈과 같은 고가의 광물이 포함되지 않은 배터리에 가장 유리할 것으로 예상됩니다. 

투입 비용이 저렴하다는 점은 LFP를 사용하는 리튬 이온 배터리의 매력 중 하나로, 제련 재활용을 통해 개별 광물을 회수하는 것은 비경제적입니다. 

LFP는 양극을 직접 재활용하기 때문에 개별 광물만 회수하는 것보다 훨씬 더 가치 있는 제품이 되기 때문에 직접 재활용을 통해 재활용할 경우 수익성이 높습니다.

니켈-망간-코발트(NMC)와 같은 고가의 리튬 이온 배터리의 경우, 배터리 사용 중에 전극의 결정 구조가 손상되기 때문에 제조 과정에서 발생하는 폐기물에 대해 직접 재활용하는 것이 가장 적합합니다.

재활용하기 전에 배터리는 파쇄됩니다. 회수된 블랙 매스는 접착제를 제거하고 양극에서 음극을 분리하는 방식에 약간의 변화를 주면서 습식 야금 재활용과 유사하게 처리됩니다. 

예를 들어, 재활용업체는 음극(일반적으로 흑연)을 태우는 대신 흑연의 소수성 특성을 이용해 가열된 흑연을 액체 용액 표면으로 끌어당깁니다(양극은 친수성이므로 거품에서 튕겨져 나옵니다!). 

흑연은 맨 위에 있는 거품에 있고 다른 미네랄은 아래에 머물러 있습니다. 이 과정을 부유 선광이라고 합니다.

회수된 양극은 배터리에서 처음 사용하는 동안 성능 저하와 손실로 인해 필요한 양의 리튬이 없습니다. 따라서 더 많은 리튬을 추가해야 합니다(재리튬화). 

또한 리튬 이온 배터리 화학 기술이 계속 발전함에 따라 재활용 소재를 계속 사용할 수 있도록 하기 위해 회수된 양극에 미네랄을 추가(예: 코발트 추가)하여 수정하거나 업사이클링할 수 있습니다.

회수된 양극은 배터리에서 처음 사용하는 동안 성능 저하와 손실로 인해 필요한 양의 리튬이 없습니다. 따라서 더 많은 리튬을 추가해야 합니다(재리튬화). 

또한 리튬 이온 배터리 화학 기술이 계속 발전함에 따라 재활용 소재를 계속 사용할 수 있도록 하기 위해 회수된 양극에 미네랄을 추가(예: 코발트 추가)하여 수정하거나 업사이클링할 수 있습니다.

고온 야금 재활용

• 낮은 회수율: 합금에서 회수되는 니켈 및 코발트, 리튬 회수율 0%
• 에너지 사용량 및 온실가스 배출량 최고 수준

고온 야금 재활용은 고온을 사용하여 금속을 추출하고 정제하는 모든 기술을 포함하는 광범위한 개념입니다. 습식 제련 및 직접 재활용에 대해 논의된 몇 가지 공정이 기술적으로 이 범주에 속합니다. 

하지만 이 섹션의 고온 야금 재활용보다 낮은 온도를 사용합니다. 이러한 유형의 고온 열야금을 제련이라고 합니다. 제련은 모든 광물을 회수하는 것은 아니며 필요한 온도에 도달하기 위해 높은 에너지 사용이 필요합니다.

제련은 배터리 재료를 녹는점 이상으로 가열하여 액체 상태의 금속을 분리합니다. 배터리 모듈 또는 셀이 용광로에 직접 들어가기 때문에 배터리를 파쇄할 필요가 없습니다. 

배터리를 먼저 350~600°C로 가열하여 전해액을 태운 다음, 약 1200~1450°C로 가열하여 금속을 합금으로 녹입니다. 이 과정에서 발생하는 독성 가스로 인해 리사이클러는 배출 가스 처리 기능을 추가합니다. 

이렇게 만들어진 금속 합금에는 코발트, 니켈, 구리, 철이 포함되어 있습니다. 제련 과정에서 슬래그에 포함된 리튬, 알루미늄, 망간이 손실됩니다. 

또한 금속 합금은 코발트와 니켈을 회수하기 위해 후속 습식 제련 공정을 거쳐야 합니다. 이 과정에서 리튬의 상당 부분이 먼지로 손실됩니다. 현재 재활용 업체들은 이를 선호하지 않지만, 추가적인 습식 제련 공정을 통해 리튬을 회수할 수 있습니다.

배터리 재활용 정책

강력한 재활용 정책은 모든 전기차 배터리를 안전하게 재활용할 수 있도록 합니다. 이상적으로는 미국이 글로벌 파트너를 따라 생산자책임재활용제도(EPR)를 제정하는 것입니다. 

EPR은 자동차 제조업체에게 모든 배터리를 재활용할 책임을 부여합니다. 재활용은 지속 가능한 운송 시스템과 공급망에서 매우 중요한 단계이며, 자동차 제조업체는 폐배터리 수거 네트워크를 구축하고 배터리를 더 쉽게 재활용할 수 있도록 설계해야 합니다. 

하지만 이 글에서 지적했듯이 배터리를 재활용하는 방법도 중요합니다!

재활용 업체는 잠재적 영향을 최소화하면서 가능한 한 많은 광물을 회수해야 하는데, 이는 고온 야금 대신 습식 제련 또는 직접 재활용 방법을 사용해야 함을 의미합니다.

이러한 재활용 산업은 리셀과 같은 연구 기관의 도움으로 빠르게 발전하고 있습니다. 따라서 정책에서 기술 방식을 정의하는 대신 기준 회수율을 설정할 것을 제안합니다. 

예를 들어 유럽연합(EU)은 이러한 접근 방식을 취하고 있습니다. EU 배터리 법은 재활용 공정에서 2025년 코발트, 니켈, 구리의 경우 90%, 리튬의 경우 50%의 회수율을 달성하고 2030년에는 각각 95%와 80%로 높일 것을 요구하고 있습니다. 

캘리포니아에서도 재활용 정책이 발전하고 있으며, 캘리포니아 주에서도 이와 유사한 접근 방식을 적용할 수 있기를 바랍니다.

https://blog.ucsusa.org/jessica-dunn/how-are-ev-batteries-actually-recycled/

How are EV batteries (actually) recycled?