전기자동차에서 발생하는 폐배터리의 재활용 및 재사용: 리뷰
Recycling and Reuse of Waste Batteries from Electric Vehicles: A review
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Abstract
전기자동차의 판매가 급격히 증가함에 따라, 폐배터리의 양도 급격히 증가하고 있다. 이에 폐배터리의 재활용 및 재사용에 대한 사회적 관심이 급증하고 있다. 폐배터리의 재활용은 폐배터리를 재가공하고 가치있는 물질을 추출하여 다시 활용하는 공정을 일컫는다. 폐배터리의 재사용은 약간의 변환 과정을 거쳐 동일한 목적으로 다시 사용하는 공정을 일컫는다. 현재 관련 기술 개발이 필요하며, 관련 정책이 미흡한 실정이다. 세계적인 추세를 살펴보면, 라벨링 제도와 생산자책임재활용 제도를 통한 폐배터리 수거 체계 구축이 진행되고 있으며, 배터리 성능 및 안정성 평가 기준이 확립되고 있으며, 효율적이고 안전한 운송 체계 구축이 진행되고 있다. 폐배터리 처리에 있어 문제에 대한 단계별 책임 소재가 명확하지 않기 때문에, 이력관리제도가 필요하다. 폐배터리의 자원을 효율적으로 추출하고 재활용하는 것도 중요하지만, 자원 희소성에서 자유로운 배터리 기술을 개발할 필요도 있다. 본 총설에서는 폐배터리의 재활용 및 재사용 관련 기술, 배터리 관련 정책, 희소금속 대체기술에 대해 알아보고, 향후 폐배터리 정책에 대한 방향을 제시하였다.
Trans Abstract
As sales of electric vehicles rapidly increase, the amount of waste batteries is also rapidly increasing. Accordingly, social interest in the recycling and reuse of waste batteries is rapidly increasing. Waste battery recycling refers to the process of reprocessing waste batteries and extracting valuable water for reuse. Reuse of waste batteries refers to the process of using them again for the same purpose after undergoing a slight conversion process. Currently, related technology development is required, and related policies are insufficient. Looking at the global trend, a waste battery collection system is being established through the labeling system and producer responsibility recycling system, battery performance and safety evaluation standards are being established, and efficient and safe transportation systems are being established. Since it is not clear who is responsible for each stage of the problem in the disposal of waste batteries, a history management system is needed. It is important to efficiently extract and recycle waste battery resources, but it is also necessary to develop battery technology free from resource scarcity. In this review, recycling and reuse-related technologies of waste batteries, battery-related policies, and rare metal replacement technologies were explored, and directions for future waste battery policies were presented.
1. 서 론
기후 변화의 위기가 한계에 이르고 있음에 따라, 이에 대한 기술 및 정책에 대한 사회적 요구가 급증하면서 환경 및 에너지 분야에서 다양한 기술적 시도가 이뤄지고 있다[1-15]. 심각해지는 기후변화 및 대기오염 문제의 해결을 위해 이동 수단의 혁신에 대한 거대한 사회적 수요가 있었고, 그 방안 중 하나로 전기자동차가 등장하여 현재 활발히 생산되고 소비되고 있다. 다양한 글로벌 자동차 기업들이 전기자동차 산업 발전에 힘쓰고 있으며, 매우 주목할 만한 가시적인 성과를 보여주고 있다.
다음 그래프는 전세계 전기자동차 판매량이다. 판매량 증가율은 매년 높아지며 지난해, 코로나19 여파로 인한 자동차시장침체 상황에도 불구하고 전년대비 약 44.6%의 증가율로 높은 성장세를 보인다. 국제에너지기구(IEA)는 제에너지기구(IEA)는 ‘2021 글로벌 전기자동차 전망’을 통해 2030년까지 글로벌 시장에서 보급되는 전기자동차는 최대 약 2억3,000만대에 이를 것이라 예상했다.
이렇게 급속도로 증가하고 있는 전기자동차에 따라 전기자동차에서 나오는 폐배터리 양이 늘어나고 있는데, 현재 누적된 전국 폐배터리 양은 493개로, 환경부는 2024년에는 약 1만3,800개로 늘어날 것으로 예상했다.
이렇게 폐배터리 양이 늘어남에 따라 정책적, 환경적으로 여러 문제점들이 나타나게 된다. 국내외적으로 전기자동차에 대한 연구와 시장이 확장되고 그 수요도 늘어남에 따라 문제점 해결방안이 모색되어야 한다.
제일 큰 문제점은 리튬의 희소성 문제이다. 리튬은 배터리 제작에 가장 많이 사용되는 희소금속으로 전 세계적으로 매장량이 적은 금속이며 우리나라의 경우 생산할 수 있는 자원이 전혀 없기 때문에, 모든 배터리 생산에 필요한 리튬을 수입에만 의존하는 상황이다. 그러나 리튬은 전 세계적으로도 장기간 채굴할 수 있는 장소가 제한적이기에 특정 국가의 정치적인 목적 및 기업의 이익추구 여부에 따라 원활히 수입이 되지 못할 경우, 국가 경제적으로 큰 문제가 될 수 있다. 특히 최근에는 리튬 공급에 비해 수요가 늘어나며 그 가격까지 올라가는 추세이다.
그렇기에 우리나라는 무작정 새로 수입된 리튬으로만 배터리를 생산할 경우 많은 어려움이 생긴다. 따라서 사용된 폐배터리에 있는 리튬의 재활용과 재사용을 통해 해외수입 의존도를 줄일 필요가 있고, 정책을 통해 원활한 폐배터리의 수거가 이루어져야 한다. 즉, 폐배터리의 원활한 재활용, 재사용 처리를 위해선 체계적인 폐배터리 수거 정책이 필요하다. 이에 따라 정부는 2021년 1월 1일부터 개정된 대기환경보전법에 따라 폐배터리 반납을 민간영역에 위탁하는 방식으로 폐배터리의 회수, 보관 및 재활용을 장려하기 위한 거점수거센터를 설치하고 있으나 기업에서 제작되는 배터리마다 재료와 크기 등이 다르기 때문에 재활용, 재사용을 일괄적으로 적용할 수 없고, 각 기업의 폐배터리마다 다른 방법을 적용하면 대량의 폐배터리를 한 번에 처리하기 어렵다. 또한 폐배터리의 성능에 따라 재활용과 재사용 중 방법이 결정되는데 아직 명확한 성능평가기준이 없는 점, 배터리 재활용을 위한 시스템 해체와 준비과정이 상이한 점에서 어려움을 겪고 있고 전기차의 배터리의 폭발 위험성에 따라 운반이나 보관 과정에서 내부손상이 생길 우려가 있다. 환경적으로도 문제가 발생할 수 있는데, 유독물질로 분류되는 폐배터리의 리튬과 코발트가 그대로 매립될 경우 환경에 악영향을 미칠 수 있으며 생명체에도 위협이 될 수 있다. 또한 폐배터리는 폭발성을 내재하고 있어 적절한 기술없이 운송, 운반될 경우 안전성에 대한 문제가 발생할 수 있다.
본 연구에서는 폐배터리의 자원 낭비와 경제적 문제, 환경과 안전성 문제에 대해 재활용과 재사용, 정책 개선 방향, 희소금속 대체 배터리 기술을 제시함으로써 폐배터리 문제 해결 방안에 대해 논의하고자 한다.
2. 폐배터리의 재활용 및 재사용
재활용과 재사용이 폐배터리에 원활하게 적용된다면 여러 효과를 기대할 수 있다. 우리나라는 대부분의 금속을 수입에 의존하고 있다. 그렇기 때문에 자동차 배터리의 생산을 위해서는 리튬 등의 희소금속의 확보가 더욱 중요한데, 이차전지의 재활용, 재사용은 금속 사용시간을 연장할 수 있고, 원재료에 대한 수요 증가에 기여할 수 있으며 수명이 종료된 폐배터리는 원료의 약 80% 이상을 재활용을 통해 추출이 가능하여 수입에만 의존하는 우리나라의 경우 더욱 필수적이다. 재활용과 재사용은 환경오염방지와 에너지 절약 또한 기대할 수 있다. 배터리의 원료인 코발트, 리튬, 망간, 니켈 등은 유독물질로 분류되어 외부 노출 시 화재, 폭발, 급성독성 및 수생 환경에 유해한 영향을 줄 수 있다. 재활용은 부적절한 폐기로 인한 환경적 영향을 줄일 수 있으며 배터리 생산을 위한 금속 채광 시 발생하는 CO2를 70%까지 줄일 수 있다[19]. 더불어 재활용, 재사용을 통해서 폐배터리의 자재 폐기를 지연시킬 수 있고, 원재료에 대해 수요를 증가시킬 수 있다. 재활용과 재사용은 경제적인 면에도 여러 효과를 기대할 수 있다. 전기차 배터리는 폐기 후에도 70~80%의 용량을 재활용할 수 있기 때문에 이러한 배터리 재활용 시스템이 완비되면 이를 이용한 전기차 배터리 생산비용을 30~60%까지 인하할 수 있다[20].
재활용과 재사용은 한번 사용된 배터리를 다시 활용한다는 의미에서는 비슷한 단어이지만 배터리에서 활용하는 방법에서 차이를 가진다. 재활용은 파쇄, 분쇄 및 추출공정을 통해 회수한 희소금속자원을 다시 활용하는 방법이며, 재사용은 폐배터리를 해체하지 않고 폐배터리의 상태를 평가하여 ESS, UPS 등으로 용도를 변경해 배터리 자체를 다시 활용하는 방법이다. 재활용과 재사용 중 적합한 처리방법은 배터리 외관검사와 전기흐름검사 등의 성능평가로 판단하여 결정할 수 있다. 폐배터리의 충전 능력이 초기 용량 대비 70~80%를 유지할 수 있는 경우에는 재사용을 이용하는 것이 적절하며, 충전 능력이 초기 용량의 50% 이하로 저하되어 재사용이 불가능한 경우에는 재활용을 이용하는 것이 적절하다[21].
2.1. 폐배터리의 재활용
재활용은 파쇄, 분쇄 및 추출 공정을 통해 폐배터리의 양극활물질에서 코발트, 니켈 등의 희소금속자원을 회수하여 활용하는 방법이다[22]. 대체로 배터리의 성능이 재사용이 불가능할 정도로 저하되거나 외부 충격 등으로 파손되었을 경우 사용된다.
재활용 처리 공정은 크게 전처리와 금속 회수 과정으로 구분된다. 전처리는 폐전지의 폭발 위험을 제거하고 파쇄하는 과정으로, 건식 열처리, 파쇄/분쇄, 농축 등으로 방전된 폐배터리를 비활성화한 뒤 물리적으로 해체하여 철, 알루미늄으로 구성된 부품을 회수하고, 이후 기계적인 파쇄/분쇄를 통해 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등이 가루 형태로 혼합된 블랙 매스 파우더를 제조한다[23]. 금속 회수 과정은 해체한 배터리에서 금속을 추출하는 과정으로, 건식 공정, 습식 공정, 다이렉트 리사이클링으로 세분화할 수 있다[24].
건식 공정은 고온 용융 공정으로, 배터리의 구성 금속산화물을 환원시켜 니켈, 코발트, 구리 등을 추출하는 방법이다. 폐배터리를 제련소에 넣어 녹여 매트와 슬래그로 구분한 후 매트에서 금속 추출이 이루어지며 열분해, 용융, 증류, 정제 등의 과정을 거친다[24]. 건식 공정은 별도의 분류 과정이 불필요하며 대용량 생산에 좋지만, 리튬, 종이 및 플라스틱과 같은 기타 구성요소의 회수가 어렵고 고온 용융 처리 설비, 먼지 제거 집진기, 오프가스 처리 설비 등을 필요로 하여 초기 비용이 많이 들고 공정 결과 발생하는 배출가스의 처리가 필요하다[25].
습식 공정은 회수 단계 전 폐배터리를 해체하여 폭발위험을 제거한 뒤 파쇄하는 전처리 과정을 포함하며, 전처리를 통해 제조된 분쇄 금속인 블랙 매스 파우더를 산에 녹여 용액으로 침출시킨 뒤 이 용액으로부터 철과 알루미늄 등을 분리한 이후 녹여서 금속을 회수한다[23,24]. 습식공정은 설비 시설 중 탱크와 여과기만 필요하기 때문에 초기 비용이 적게 들고 건식 공정에 비해 더 많은 물질의 회수가 가능하여 고순도화가 쉽다[25].
다이렉트 리사이클링은 양극활물질을 재생 양극활물질로 만들어 실제 부품에 적용하는 방법이다. 공정은 이산화탄소를 사용한 전해질 추출, 산업용 파쇄, 전극 수확, 거품 부유, 재활용된 음극 및 양극으로 새 전지 구축 등이 포함된다. 다이렉트 리사이클링은 분해, 용해 및 침전 없이 기능성 Anode 입자를 회수할 수 있고, 다른 공정과 달리 복잡하고 많은 비용이 드는 정제 단계를 피할 수 있다[26]. 이 기술에 대해서는 아직 양산에 돌입한 사례는 없다.
2.2. 폐배터리의 재사용
재사용은 폐배터리를 해체하지 않고 상태를 평가해 ESS, UPS 등의 용도로 변경해 사용하는 방법이다. ESS는 재생에너지를 저장하는 에너지 저장장치를 말하며, UPS는 전력을 저장했다가 정전 발생 시에 전원을 공급해 주는 장치를 말한다[27,28]. 전기자동차 폐차 이후 차체로부터 전지를 분리하여 세척한 후 외관검사를 마친 뒤 잔존용량 및 안전성에 대한 분석을 실시한다. 이후 나누어진 등급에 따라 폐기하거나 재사용을 위해 포장 후 출고된다. 배터리 Cell 단위까지 분해한 후 재조립하면 용도에 맞는 형태로 재구성할 수 있으나, 이러한 경우에는 안전을 위해 레이저 용접 등의 방식으로 차량과 결착된 배터리 Pack의 탈거 및 해체 비용이 크게 증가하기 때문에 일반적으로 배터리 Pack 또는 Module 단위로 재활용이 이루어진다[29].
2.3. 재활용 및 재사용 정책
2.3.1. EU
과거 지침의 주요 목적은 배터리 및 폐기물의 부정적인 영향을 최소화하는 동시에 내부 시장의 원활한 기능을 보장하는 것이었으나, 이후 배터리 지속가능성과 경쟁력 회복을 위하여 EU는 2020년 12월 17일 배터리에 대한 새로운 규제 프레임워크에 대하여 제안한 「Making The Recovery Circulation and Green」을 채택하였다. 산업용 및 EV 배터리의 두 번째 수명을 위한 용도 변경과 재생산 작업을 위해 2026년 1월 1일까지 서비스에 투입된 각 산업용 배터리 및 EV 배터리의 배터리 여권과 배터리 정보에 대한 전자 교환 시스템을 설정하도록 하였으며, 배터리 식별 및 주요 특성에 필요한 정보가 포함된 레이블을 배터리에 표시하는 정책을 채택하여 2027년 1월 1일부터 시행할 예정이다. 레이블은 수명, 충전 용량, 별도 수집 요구 사항, 위험 물질의 존재 및 안전 위험에 대한 정보를 포함하며, 배터리 유형에 따라 빠른 응답(QR)코드를 통해 해당 배터리와 관련된 정보에 접근할 수 있도록 하여 충전식 산업용 배터리 및 EV배터리의 상태와 예상 수명을 결정하는 데 필요한 정보와 데이터를 저장하여 배터리를 관리할 수 있도록 한다[31].
2.3.2. 중국
2016년 1월 국가 발전 개혁위원회는 전기자동차 사용자의 배터리 판매에 대한 사항과 재활용 기준, 해체 요건, 보관 요건, 운송 요건, 방전 요구 사항 등의 내용을 포함하는 「자동차 배터리 수집 및 재활용 지침」을 발표하였으며, 2017년 표준화 행정청은 배터리 해체와 재활용 기술에 관한 국가 표준인 「자동차 배터리 재활용 해체 기준」을 발표하였다[28]. 2018년 7월부터 시범 사업으로 베이징, 상하이 등 지역마다 배터리 재활용센터를 설립해 중고자동차 판매상, 배터리 제조사, 폐기물 회사가 공동으로 폐배터리 회수 및 재판매를 할 수 있게 하는 시스템을 구축하였다[32]. 2020년 4월에는 전기자동차 폐배터리 재활용에 필요한 상위법을 포함하는 「고체폐기물 환경오염방지법」 수정안이 시행되었고, 2020년 10월 국가공업정보화부는 「신에너지차 배터리 재사용 관리방법」을 발표하여 배터리 재사용 기업이 배터리 출고 데이터와 운영 감독 데이터 확보를 통해 제품의 성능과 신뢰성을 높이며 배터리 추적 관리 체제를 마련하도록 하였다[33]. 2021년 9월 공업정보화부는 중국이 배터리 재활용과 재사용의 기술적 토대는 갖춰져 있으나 배터리 관리 체계의 표준화는 미흡하다는 점을 바탕으로 「친환경자동차 동력 배터리 단계적 활용을 위한 관리 방안」을 발표해 배터리 재활용 상품의 생산과 사용, 회수, 이용에 대해 표준화된 관리 체계를 수립하였다[34].
2.3.3. 한국
2019년 10월 환경부는 「전기차 폐배터리 안전회수 및 해체･보관 매뉴얼」을 공포하였고 2021년 8월에 일부 개정되었다. 2020년 11월에는 「폐기물관리법 시행규칙」개정을 통하여 전기자동차 폐배터리를 폐기물 종류에 새로 추가하였고, 재활용업을 위해 갖추어야 할 기술 및 시설 기준을 별도로 마련하였다[35]. 2021년 1월 「대기환경보전법」을 개정하여 보조금을 받은 전기자동차 폐배터리를 지방자치단체에 반납해야 하는 의무 조항을 폐지하고 민간에서 배터리 수거, 보관, 재활용을 하도록 하여 민간기업과의 배터리 거래가 가능하게 하였다[36]. 2021년 7월 「전기･전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률 시행령」의 일부 개정을 통해 새로운 유형의 폐기물인 전기자동차 폐배터리의 회수와 보관, 재활용을 위한 미래 폐자원 거점 수거 센터의 설치와 운영이 이루어질 수 있도록 하고 전기자동차 폐배터리의 분리기준과 보관방법 등에 관한 세부사항을 규정하였다[37].
2.4. 재활용 및 재사용 산업 동향
2.4.1. EU
Umicore는 벨기에의 폐배터리 재활용 업체로 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션에 양극재를 공급하고 있으며 배터리 재활용, 이차전지용 배터리 소재, 배기가스 정화 촉매 사업을 통해 매출을 내고 있다[23]. Daimler는 2016년 9월 뤼멘에서 Mobility House, GETEC 및 Remondis의 합작 투자방식으로 전기차의 폐배터리를 이용하여 13MWh 규모의 ESS 시설을 구축하는 프로젝트를 진행하였고, 하노버에서 자회사인 ACCUMOTIVE와 하노버 시영회사인 Enercity와 함께 15MWh 규모의 새로운 ESS 설비 구축을 시작하였다[38].
2.4.2. 미국
포드(Ford)는 배터리 재활용 기업 레드우드 머티리얼스와 협약을 맺어 전기차 폐배터리를 재활용하고 있다[39]. 제너럴모터스(GM)는 캐나다의 배터리 재활용 기업인 리사이클(Li-Cycle)과 협업하여 재활용 공정을 구축하고 있다[39]. BMW는 독일 Bosch, 스웨덴 발전 기업 Vattenfall과 공동으로 설치용량 2.8 MWh (출력 2MW) 규모의 ESS를 구축하고 자국내 전력망과 연계하여 시범운영 중이다[38]. Tesla는 자사 배터리 공장이 Giga-Factory 내에서 재활용 시스템을 구축하여 가정용 ESS를 출시하였다.
2.4.3. 중국
폐배터리 재활용 업체 GEM은 BYD, Toyota, Honda, Volkswagen 등 다양한 자동차 기업들과 제휴하였고 국내 양극재 생산 기업인 에코프로사와 전구체 합작법인을 설립하였다[23]. 배터리 업체 CATL은 전기자동차 업체 NIO와 합작사 BAC를 설립하여 배터리 리스 사업을 진행하고 있다. 배터리 리스 사업은 배터리 없이 전기차를 구매한 고객이 정기적으로 비용을 지불하여 배터리를 대여받을 수 있는 서비스로, 고객은 더 저렴한 가격에 전기차를 구매할 수 있으며 배터리 업체는 배터리의 전주기를 관리하여 폐배터리를 효과적으로 활용할 수 있도록 하는 사업이다[38].
2.4.4. 일본
Nissan은 2014년부터 전기자동차의 배터리 반납을 조건으로 교체 서비스를 시행하고 있으며, 이를 기반으로 2016년부터 전력기업인 Eaton Energy와 협력하여 가정용 ESS를 제작하고 있다. Toyota는 폐전지와 태양광과 연계한 ESS 프로젝트를 통해 이를 세븐일레븐 매장에 설치하는 매장 운영을 계획하고 있다[38].
2.4.5. 한국
성일하이텍은 최근 헝가리에 제1리사이클링 파크에 이어 제2리사이클링 파크를 설립하였다. 제2리사이클링 파크는 기존 배터리 생산 과정에서 나오는 스크랩 등을 재활용하는 제1리사이클링 파크의 기능에 성일하이텍의 폐배터리의 방전과 해체 기술 공정을 추가한 재활용 시설로, 기존 시설과 함께 배터리 생산 과정에서 나오는 연간 6만 톤의 폐자원을 재활용할 수 있는 시설이다[40]. 현대자동차그룹은 현대자동차 울산 공장에 2 MWh 규모에 해당하는 ESS를 설치하였으며, 태양광으로 들어오는 전력을 저장한 후 필요 시에 전달하는 체계를 구축하여 운전 중이다. 더하여 한국수력원자력과 협력하여 2021년말까지 총 10 MWh 규모의 폐전지를 활용하는 ESS 시범사업을 실시하였으며, 개발한 ESS를 텍사스에 위치해 있는 OCI 태양광발전소에 설치해서 공동 실증 분석을 진행중이다[41].
2.5. 재활용 및 재사용 기술 현황
폐배터리 재활용 및 재사용의 효과를 극대화하기 위해서는 폐배터리의 재활용 및 재사용에 있어서 몇 가지 중요한 요소가 있다. 먼저 재활용은 폐배터리에서 추출되는 금속의 회수율이 중요하다. 높은 금속 회수율은 많은 양의 자원을 절약할 수 있도록 하여 경제성과 직결되기 때문에 보다 높은 순도의 금속을 획득하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 기술로는 Duesenfeld GmbH 회사의 회수기술을 예로 들 수 있다. 이는 셀 재활용 시에 91%의 높은 비율로 리튬이온 배터리의 재료를 회수하는 기계적, 열역학, 습식 제련 공정을 이용하여 에너지 소비 대비 가장 높은 재료 회수율을 나타내는 기술이다. 전극 활성 물질과 전도성 염을 포함하는 블랙 매스를 처리하기 위한 습식 제련 방법은 블랙 매스에서 코발트, 리튬, 니켈, 망간 및 흑연을 회수한다. 전극 활물질용 배터리급 원료 생산을 통해 완전한 사이클 관리를 가능하게 하는 자체 절차를 개발하여 이용하고 있으며, 전처리 단계에서 침출 전에 불소를 완전히 제거하여 불화수소산의 형성을 확실하게 방지하고, 불화물이 제거되면 금속이 침출되어 결과적으로 흑연에서 분리되어 재료 재활용을 할 수 있도록 한다. 그 외에 리튬, 코발트, 니켈 및 망간은 다양한 추출 방법으로 서로 분리되어 염의 형태로 세척 및 회수된다[42].
사용 후 배터리는 폭발, 감전 등의 위험이 있고 유해한 물질을 포함하고 있기 때문에 안전한 보관과 재활용 및 재사용을 위한 방전단계는 필수적이다. 이에 솔라라이트는 폐배터리의 안전한 보관과 운송, 재사용이 가능한 대용량 및 초고속 방전설비시설을 개발하였다. 이 시설은 일차적으로 배터리 잔량을 최소화시키는 안전방전, 재활용 전 폐배터리를 완전히 불능화 시키는 완전방전으로 구성되며, 두 번의 방전 과정으로 분리, 보관과 같이 초기과정에서 발생할 수 있는 사고 가능성을 예방할 수 있다. 또한 다단건식방전 기술의 적용을 통해 기존 방전방식의 대량, 초고속 방전에 대한 한계를 보완하였다. 기존 건식방전은 용량에 제한이 있어 고속방전이 불가능하며, 습식방전은 오랜 습식과 건조과정이 필요하며 폐수 처리 시 발생하는 비용과 환경오염문제가 발생할 수 있고 효율이 낮다는 한계가 있다. 반면, 솔라라이트의 다단건식방전은 이동과 용량 확장이 가능한 형태로 제작됨으로써 유연성과 편의성을 높였으며 용량제한이 없어 고속방전이 가능하고 전력과 배터리의 재사용이 가능하도록 하여 경제성과 효용성을 확보하였다[43].
폐배터리의 남은 용량은 균일하지 않기 때문에 재활용, 재사용 전 배터리 셀 성능의 균형을 맞추어야 하며 배터리의 사용 기록이 대체로 완전하지 않아 수명, 안전성, 적합성의 판단이 어렵다. 따라서 폐배터리의 재활용과 재사용을 위해서는 배터리 진단 기술이 중요하며 배터리 진단 결과에 따라 재활용과 재사용이 나뉘기 때문에 늘어나는 폐배터리에 대해 안전성과 성능을 신속하게 평가할 수 있는 기술이 중요하다. 이에 민테크는 고전압 임피던스 분석기를 활용한 배터리 진단 시스템 연구에 주력하고 있다. 민테크의 고전압 임피던스 분석기는 배터리의 최대 충전율(SOC)과 배터리 열화정도(SCO) 등의 상관관계를 측정할 수 있으며 이를 통해 배터리 팩의 상태와 용량수명, 출력, 충전량 등을 확인하여 최종 배터리 등급을 매길 수 있고, 현재 배터리 재사용 검사시간을 20분에서 15분까지 단축시키는데 성공하였다. 이 배터리 진단 시스템은 전기차 배터리와 함께 ESS, 레독스 플로우 배터리, 연료전지에 대해서도 진단 시스템 적용이 가능하다[44].
3. 정책 개선
폐배터리를 원활히 처리하기 위해서는 명확한 폐배터리 정책의 확립이 중요하다. 그러나 앞서 나온 내용과 같이 현재 국내의 폐배터리 관련 정책은 상당히 미흡한 상황이기 때문에 이를 해결하기 위한 정책 개선방안을 제시하고자 한다. 폐배터리의 원활한 수거 및 재활용, 재사용의 산업이 육성되기 위해서는 그에 마땅한 여러 표준화된 기술과 단계별 법적 기반이 마련되어야 한다. 여기서 표준화된 기술을 마련하기 위해서는 전기차 배터리의 제작 기준 및 재활용, 재사용 기준, 폐배터리의 명확한 성능평가 기준을 설정해야 할 필요가 있다. 또한 단계별 법적 기반으로는 폐배터리 처리 단계별 책임 소재를 명확히 하는 정책과 운송과 운반에 있어 전기자동차 폐배터리만의 특화된 기준 등이 마련되어야 한다.
3.1. 제도를 통한 배터리 회수 의무 부과
2021년 1월 1일부터 개정된 대기환경보전법에 따라 폐배터리를 지방자치단체에 반납하던 의무를 폐지한 이후 폐배터리 수거가 원활히 이루어지지 않아 자원 낭비나 환경오염의 문제가 발생할 수도 있다는 우려가 있다. 따라서 기업과 기업 또는 기업과 정부 사이의 정보 공유를 통하여 폐배터리 수거를 원활하고 신속하게 할 수 있도록 하는 정책의 필요성이 제고된다. 이를 위한 정책으로 EU는 배터리의 상태와 수명 등의 정보를 라벨링 및 QR코드 작업을 통한 정보 기제 방식을 채택하였으며, 중국은 배터리의 정보뿐만 아니라 폐기된 배터리의 소유자를 식별하고 이에 따른 책임을 명확하게 할 수 있는 전기 자동차 배터리용 ID 시스템 「배터리 재활용 및 추적 관리 플랫폼 규정」을 채택하고 있다. 더하여 폐배터리에 대한 EPR을 통하여 배터리 회수에 대한 의무를 부과함으로써 이 같은 문제에 대해 예방할 수 있을 것으로 보인다[31].
3.2. 배터리 성능 및 안정성 평가 기준 마련
전기자동차 배터리는 매립이나 소각할 경우 환경오염, 화재, 폭발 등의 위험이 있기 때문에 배터리 생애주기 관리가 중요하다. 따라서 재활용과 재사용의 활발한 이용을 위해서는 전기자동차 폐배터리 안전성 평가 기준과 처리 및 관리 기준 등의 제도가 우선적으로 필요하다. 그러나 국내는 아직 폐배터리에 대해 안전성 평가 기준과 구체적인 처리 기준 및 방법에 대한 규정이 부재하며 마찬가지로 국제적으로도 표준화된 관리체계와 제도가 세워져 있지 않은 상황이다[32]. 따라서 활발한 연구를 통해 폐배터리 규정 입법을 서둘러 국내 폐배터리 재활용 및 재사용을 활성화할 수 있는 기반을 마련하고, 나아가 국제 폐배터리 관련 제도 표준화 선점 기회 또한 잡을 수 있도록 해야 한다.
3.3. 운송 및 운반 지침 실효성 강화
폐배터리의 운송에 대해서는 현재 배터리 개별 포장, 다른 폭발위험성이 있는 다른 위험물과의 포장 금지, 진동 및 충격을 막을 수 있는 불연성 비전도성의 완충재 사용에 대한 법령들이 정비되어 있는 상황이다[45]. 그러나 이는 현장에서 잘 지켜지지 않고, 그 결과로 안전과 관련해 여러 위험이 발생한다. 실제 2019년에는 전기자동차 폐배터리를 운반하던 화물차에 폐배터리로 인한 화재가 발생했다[46]. 당시 화물차 기사는 폐배터리가 충격에 민감하다는 사실을 알지 못해 법령에 따른 포장이나 완충재 없이 단순히 폐배터리를 밧줄로 묶어 고정시켰다고 한다[46]. 폐배터리의 운송 과정에서 안전 사고가 발생하지 않으려면 현재 마련되어 있는 법령과 함께 실제 현장에서 적용할 수 있는 구체적인 방안이 필요한 것을 알 수 있다. 또한 개별 포장과 법령이행에 대하여 벌금을 인상하는 등의 강제성을 더욱 강하게 부여해야 하며, 그와 관련한 교육도 강화되어야 한다.
3.4. 폐배터리 처리 단계별 책임 소재 명확화
현재 폐배터리를 처리하는 과정 중 운송 과정에서 또는 재활용 재사용을 하는 과정에서 안전상의 문제가 발생했을 때에 피해에 대한 보상이나 문제 해결의 책임에 대한 소재가 명시 되어있지 않아 문제가 되고 있다. 따라서 제조사, 지자체, 선별 수거기관, 보험사 등의 이해 관계에 따라 단계별 책임 소재를 명확히 하는 제도를 마련할 필요가 있으며 이를 위한 제도로써 이력관리제를 제시하고자 한다. 이력관리제를 통해 각 단계에서 안정성 확인 및 기록을 의무화한다면 단계별로 발생할 수 있는 문제를 방지할 수도 있고 문제가 발생했을 시 책임소재도 더 명확히 할 수 있을 것이다.
4. 새로운 배터리 기술
폐배터리를 재활용, 재사용하고 관련 정책 등을 확립하려는 근본적인 원인은 자원 희소성과 안전성에 대한 문제이다. 따라서 우리는 희소금속을 적게 사용하거나 사용하지 않는, 보다 안전한 새로운 배터리 기술을 찾아야 할 것이다.
리튬 이온 전지는 현재 연구개발, 상용화에 있어 여러 이차전지 기술 중에 주류를 차지하고 있지만 리튬 자원의 희소성 및 편재성의 문제와 안전성 문제로 인해 새로운 이차전지 기술의 필요성이 나타나고 있다. 그 중 전기자동차 사업에서 쓰이는 리튬 전지를 대체하기 위해 고용량, 고안정성, 저가격, 장수명의 특성을 가지는 이차전지를 개발하려는 연구가 계속되고 있으며 소듐 및 칼륨 이온전지, 유기 이차전지, 산화-환원 흐름 전지가 이에 속한다[47].
4.1. 소듐 및 칼륨 이온전지
소듐과 칼륨 이온전지는 리튬과 유사한 물리 화학적 성질을 가지고 있으며 자원의 매장량이 풍부하다는 장점이 있어 리튬 이온전지의 보완 기술로서 많은 학문적, 상업적 관심을 받고 있다. 하지만 소듐 이온전지는 에너지 저장 장치로서 약점이 있고 리튬 이온전지의 주요 음극 소재인 흑연에 삽입/탈리 반응이 거의 일어나지 않는 단점이 존재해 이러한 문제를 해결할 수 있는 음극소재를 찾기 위한 연구가 계속되고 있다[48]. 칼륨 이온전지 또한 에너지 저장 장치로서 장점은 있지만 화재 위험성이나 전극소재를 찾아야 한다는 점으로 인해 연구가 진행되고 있다[49].
4.2. 유기 이차전지
유기 이차전지는 전극과 전해질이 유기물로 구성되어 있어서 원료수급에 제한이 없고 친환경적이기 때문에 리튬 이온전지의 대체 전지로서 대두되고 있다. 유기 이차전지는 무게가 가볍고 빠른 충전율, 높은 에너지 밀도, 재활용과 폐기가 용이하다는 장점 또한 가지고 있어 많은 연구자가 연구에 참여하고 있다. 하지만 전기전도도가 낮아 실제 에너지 밀도가 낮다는 점과 전지의 단락을 일으킬 수 있다는 점, 높은 자가 방전의 단점이 있어 이를 해결해야 할 필요성이 있다[50].
4.3. 산화-환원(Redox) 흐름 전지
산화-환원 흐름 전지는 양전해질 용액과 음전해질 용액의 산화-환원 화학 반응을 이용하여 에너지를 저장하는 전지이다. 에너지 저장용량이 크고 높은 내구성, 안전성, 반응 물질을 분리 저장할 수 있다는 장점이 있지만 에너지 밀도가 낮고 설치와 유지비용이 많이 든다는 단점으로 인해 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다[51].
5. 결론
2010년대 이후부터 전기자동차의 보급이 점차 늘어나며 그 부속품인 배터리의 폐기 또한 증가하고 있다. 따라서 폐배터리에 대한 세계적인 관심이 집중되는 가운데 2021년 7월 정부에서도「K-배터리 발전전략」을 발표하며 앞으로의 이차전지 산업에 대한 방향성 제시와 전망에 대한 기대를 표했다[52]. 이러한 국제 정세에 발맞춰 우리는 폐배터리와 관련하여 발생하는 문제들을 해결하기 위한 방법과 관련 기술, 정책, 대체방안 등을 검토해야 할 필요성이 있다.
재활용과 재사용 기술은 각각 공정을 통해 회수한 희소금속 자원을 다시 활용하는 방법, 폐배터리의 용도를 변경해 배터리 자체를 다시 활용하는 방법으로 간단히 정의할 수 있다. 두 기술 모두 폐기되는 배터리를 다시 사용함으로써 자원의 희소성 문제를 해결할 수 있는 기술이기 때문에 희귀 금속 매장량이 적은 우리나라에서 발전이 필요한 기술이다.
현재 국내외 폐배터리 관련 정세를 보게 되면 EU, 중국에서 폐배터리 정보 표시, 재활용 해체기준, 재사용 관리 방법 등의 정책을 발표하였고 우리나라에서도 폐배터리 회수와 해체 및 보관 등에 대한 정책을 발표하였다. 또한 국내외 자동차 기업과 재활용 기업에서 자체적으로 또는 타 기업과의 협업을 통해 재활용 및 재사용을 위한 ESS시설을 구축하며 이를 실용화하기 위한 다양한 사업을 진행 중이다.
폐배터리 재활용, 재사용의 기술 현황을 보면 가장 중요한 기술은 회수기술이다. 폐배터리에서 추출되는 금속의 회수율이 높을수록 많은 자원을 절약할 수 있고 경제적이기 때문에 이를 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한 폐배터리는 폭발 감전 등의 위험성이 존재하기 때문에 안전한 보관과 방전 단계가 필수적이다. 이와 관련한 사례로 솔라라이트에서는 기존 방전 기술의 한계를 보완할 다단건식방전 기술을 이용하여 대용량 및 초고속 방전설비를 개발하였다. 폐배터리를 재활용, 재사용하기 전에 배터리 셀의 성능의 균형을 맞추고 적합성을 판단해야 하는데 이를 위해서는 진단 기술이 필요하다. 현재 민테크에서 이와 관련하여 고전압 임피던스 분석기를 활용한 배터리 진단 시스템을 연구하고 있으며 배터리 재사용 검사시간을 20분에서 15분까지 단축시켰다.
현재는 폐배터리 처리에 관한 정책이 미흡하기 때문에 명확한 정책을 확립하는 것이 중요한데 이와 관련하여 몇 가지 정책 방안을 제시하고자 한다. 우선 배터리 수거에 관련하여서 라벨링 제도와 EPR 제도를 확립하여 폐배터리를 원활하고 신속하게 수거하고자 한다. 또한 배터리 성능 및 안정성 평가 기준을 마련하는 것과 운송 및 운반에 관해 현 운송 정책에 강제성을 부여하고 교육을 강화하는 방안을 제시한다. 그리고 현재 폐배터리 처리 단계별로 문제가 발생했을 때 책임 소재가 명확히 되어 있지 않기 때문에 이를 해결하기 위한 방법으로 이력관리제를 제시한다.
폐배터리와 관련된 기술과 정책을 확립하려는 이유는 결국 자원 희소성과 안전성 문제 때문이다. 이러한 폐배터리의 근원적인 문제를 해결하기 위해서는 새로운 배터리 기술을 개발하는 것이 필요하다. 새로운 배터리 기술로는 소듐 및 칼륨 이온전지, 유기 이차전지, 산화-환원 흐름전지 등이 있다. 이는 리튬 이온전지의 보완 기술이지만 아직 기술적으로 완벽하지 않고 단점 또한 존재하기 때문에 이를 해결하기 위한 연구가 지속되어야 할 것으로 보인다. 향후에도 기후변화 및 이에 따른 환경 문제를 해결하기 위하여 사회의 각 분야에서 이를 근본적으로 해결할 다양한 원천 기술 개발에 대한 정부의 지원이 필요할 것이다[53-65].
Acknowledgements
이 연구는 대한민국 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업(No. 2021R1A2C1013989) 및 2023년도 광주녹색환경지원센터 연구개발사업(23-03-10-16-12)의 지원을 받아 수행된 연구입니다. 본 논문 내용은 https://youtu.be/E3m4TVRaB-M에서도 볼 수 있습니다.
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.