배터리, 특히 전기 자동차와 에너지 저장 시스템에 사용하기 위한 급격한 배터리 수요 증가로 인해 최근 몇 년 동안 배터리 재활용 기술에 대한 관심이 높아졌습니다. 흔히 이차전지(Secondary Battery)라고 이야기하는 배터리에는 코발트, 니켈, 리튬과 같이 희귀하고 귀중한 금속 물질이 포함되어 있습니다. 이런 물질은 환경비용과 공정비용을 들여가면서 채취하게 됩니다. 배터리 재활용은 새로운 원자재에 대한 수요를 줄이면서 동시에 천연자원을 보존하고 배터리 생산 및 폐기의 환경적 영향을 최소화할 수 있어 친환경 기술로 주목받고 있습니다.
많은 국가와 여러 지역에서 환경 오염과 공중 보건에 대한 피해를 방지하기 위해 배터리의 폐기 또는 재활용을 요구하는 규정을 시행했거나 고려하고 있습니다. 또한 배터리 재활용은 중요한 재료에 대한 지속 가능한 공급망을 개발하고 재활용 산업에서 일자리를 창출하는 등의 경제적 기회를 제공하고 있습니다.
그 결과 많은 기업과 조직에서 배터리의 순환 경제를 구축하기 위해 배터리 재활용 기술과 인프라에 투자하고 있습니다.
1. 배터리 재활용 단계별 요약
배터리 재활용은 여러 단계를 거쳐 진행이 됩니다.
1) 수거/분류
먼저 가전제품, 전기자동차, 산업 장비 등을 비롯해 다양한 출처에서 사용한 배터리를 수거하게 됩니다. 그런 다음 배터리 유형에 따라 다른 프로세스를 요구하기 때문에 배터리 종류를 분류하게 됩니다.
2) 분해
분류가 되면, 분해를 위해 플라스틱 케이스, 전기 선, 주변 장치 또는 장비를 배터리에서 분리하게 됩니다. 분해 공정에는 여러 가지가 있지만 주로 사용하는 3가지 분해 프로세스에 대해서 설명하도록 하겠습니다.
기계적 처리 방법 ｜Mechanical processing
일부 유형의 배터리의 경우에는 기계적 처리를 사용해 분해하고 있습니다. 배터리를 파쇄하거나 분쇄하는 방식이며 배터리를 작은 조각으로 만들기 위한 작업입니다.
열처리 ｜ Thermal Processing
일부 유형의 배터리를 분해하기 위해서 열처리 방식을 사용하고 있습니다. 배터리를 고온으로 가열하여 비금속 구성 요소를 녹이거나 태우고 금속 구성 요소는 그대로 두게 됩니다. 이 공정은 가스 및 기타 부산물을 생성할 수 있으므로 배출물을 포획하고 처리하기 위한 특수 장비가 필요하게 됩니다.
수동분해 ｜ Manual Disassembly
경우에 따라 배터리 구성 요소를 분리하기 위해 수동적인 분해 방식도 사용되고 있습니다. 여기에는 공구를 사용하여 나사, 클립 등의 요소를 제거하는 단순 작업들이 포함되어 있습니다.
배터리를 분해하고 나면 금속 재료를 회수하고 정제하여 재사용할 수 있습니다. 예를 들어 코발트, 니켈, 리튬과 같은 금속 물질은 화학 공정을 통해 용해시킨 후 회수할 수 있습니다.
3-1) 습식 제련 공정(Hydrometallurgical Process)
Tip : 공정이나 전문용어 앞에 Hydro가 붙어 있으면,
물을 활용하거나 물과 관련되어 있다는 뜻입니다.
습식 제련 공정은 전극 재료에서 코발트, 니켈, 리튬 등의 금속 물질을 회수하기 위해 사용하는 화학공정입니다. 이 공정에서는 금속을 산이나 용매에 용해시켜 분리 공정을 통해 금속물질을 분리시키게 됩니다. 공정을 통해 만들어진 금속이 녹아있는 용액은 재사용을 위해 정제한 후 금속을 회수합니다. Hydrometallurgical process는 다음과 같은 단계를 거쳐 진행이 됩니다.
침출(Leaching) → 고/액 분리(Solid-liquid separation) → 정제(Purification) → 회수(Recovery)
○ 침출공정(Leaching process)
전극 재료를 부수거나 작은 조각으로 분쇄한 다음 금속을 용해할 수 있는 산이나 용매와 혼합을 합니다. 보통 특정 금속물질이나 금속을 녹일 수 있는 용매를 선택하여 사용하게 되며, 용매는 선택적으로 금속만을 녹이게 됩니다. 기타 불순물은 정제과정에서 분리할 수 있습니다.
○ 고/액 분리공정(Solid-Liquid Separation process)
금속이 용해되면 용액은 플라스틱 케이스와 기타 비금속 구성 요소 등으로부터 분리되게 됩니다. 일반적으로는 여과와 같은 분리 방법을 사용할 수 있습니다.
○ 정제 공정(Purification)
일반적인 정제 공정은 순도를 높이기 위해 사용하지만 이 공정의 목적은 금속이 녹아있는 용액에서 다른 금속이나 유기화합물을 분리시키는데 목적이 있습니다. 회수된 금속을 재사용하기에 충분한 순도를 가지기 위해 기타 다른 불순물을 제거해줘야 하기 때문입니다. 이때 사용되는 방법은 용매 추출법이나 전기분해와 같이 다양한 화학적, 물리적 공정이 사용됩니다.
○ 회수(Recovery)
마지막으로 정제된 금속은 침전, 전착 또는 기타 방법을 사용해 용액에서 회수를 합니다.
3-2) 고온 야금 처리 공정(Pyrometallurgical Processing)
Tip : 용어 앞에 Pyro-라는 단어가 붙어 있으면,
이 용어는 불과 관련되어 있다고 이해하시면 됩니다.
이 공정은 배터리 구성 요소를 고온으로 가열하여 금속을 녹이고 분리기를 통해 다른 구성요소로부터 분리하는 공정을 의미합니다. 고온 야금 처리 공정은 다음과 같은 프로세스에 따라 진행됩니다.
전처리(Pre-processing) → 제련(Smelting) → 정제(Refining) → 응고(Solidification)
○ 전처리 공정(Pre-Processing)
금속 재료를 얻기 위해 배터리를 분해하고 전극 재료와 같은 금속 부품을 청소하는 작업을 의미합니다.
○ 제련(Smelting)
금속이 풍부한 구성 요소는 용광로나 기타 고온 장치에서 가열하여 녹일 수 있고, 나머지 구성요소와 분리시킬 수 있습니다. 이 프로세스는 불순물을 열을 통해 제거하고 균일한 용융물을 생성할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 온실가스 및 기타 유해 물질이 가스 형태로 나올 수 있다는 단점도 가지고 있는 공정입니다.
○ 정제(Refining)
스타크래프트를 많이 해보신 30-40대 분들은 리파이너리라는 단어를 들어보셨을 겁니다. Refine이란 단어의 뜻이 어떤 물질을 순수하게 하다라는 의미를 가지고 있습니다. 단어의 뜻처럼 용융물 형태의 금속물질의 순도를 높여주는 공정입니다. 일반적으로는 전기 분해는 진공 증류와 같은 공정이 사용됩니다.
○ 응고(Solidification)
정제된 금속을 재사용하기 위해 고체화시키는 작업이라고 보시면 됩니다. 정제 과정을 거친 순수한 금속 용융물을 다시 고체화시키는 공정입니다. 보통 대장장이가 일하는 곳에서 나오는 장면이 뜨겁게 달군 칼을 망치로 두드려서 형태를 잡은 다음에 물에 담구게 되죠? 이런 작업도 하나의 응고과정입니다.
2. 배터리 재활용 시장의 전망
지속가능한 사회에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 배터리 재활용 시장에 대한 전망은 유망할 것으로 예측되고 있습니다. 전기 자동차, 신재생에너지, 에너지 저장장치 및 휴대용 전자기기 등에 사람들이 더욱 의존하고 있으며, 효율적이고 효과적인 배터리 재활용 솔루션에 대한 필요성은 점점 증가하게 될 것입니다. 배터리 재활용 시장이 확장될 수밖에 없는 몇 가지 이유가 있습니다.
배터리 재활용을 통해 코발트, 니켈, 리튬 등과 같이 주요 금속에 대한 수요가 증가하고 있는 상황에서 금속물질을 회수하여 재사용이 가능하기 때문에 새로운 채굴이나 원자재 추출의 필요성이 줄어들게 됩니다. 금속에 대한 수요가 증가하면 증가할수록 재활용 기술은 더욱 매력적인 기술이 될 수 있으며, 관련 시장 또한 수요에 맞춰 증가하게 될 것입니다.
현재 많은 국가에서 배터리 재활용과 지속가능한 사회 구현을 위해 규정과 보상체계를 마련하고 제정했습니다. 예를 들면, EU는 2035년까지 수명이 다한 배터리의 95%를 재활용하겠다는 목표를 내세우고 있고, 미국 연방 정부는 배터리 재활용 촉진을 위한 법안을 제정했습니다. 우리나라의 경우에는 탄소중립포인트제와 같은 정책들이 대표적이라고 할 수 있습니다.
환경에 대한 소비자와 기업의 인식이 바뀌고 있습니다. 또한 ESG경영도 이런 흐름의 하나입니다. 점점 더 지속가능한 경경영과 사회를 위한 솔루션을 찾고 있는 중입니다. 배터리 재활용은 탄소중립을 실천할 수 있는 중요한 기술의 하나가 되는 것입니다.
하지만 아직 개선해야 할 부분들도 남아있습니다. 인프라나 배터리를 수집하고 운송하는 체계에 대해서는 더 많은 개선이 필요하고, 기업들의 많은 투자들도 극복해야 할 과제로 남아있습니다.
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