KIGAM 한국지질자원연구원

2050 탄소중립이 전 세계적인 비전으로 세워짐에 따라 순환자원의 중요성이 대두되고 있다.

탄소중립기본법에 따라 온실가스를 줄이기 위한 수단으로 화석연료를 줄이고,

탄소 배출량을 감축하는 전기 배터리 사용이 활발해지고 있다.

다만, 한정된 매장량을 가진 배터리 재료들은 다가올 미래사회에 또 다른 문제를 던져줄 뿐이다.

한국지질자원연구원은 그에 대한 해결을 배터리 재활용을 통해, 반영구적으로 사용할 수 있는 2차 전지와 자원순환에서 찾기로 했다.

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글 김홍인 센터장(순환자원연구센터)

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탄소중립과 전기차 사용

2015년 전 세계는 기후위기 극복을 위해 유엔기후변화협약에서 탄소중립을 선언한다. 우리나라 탄소중립위원회는 2021년 10월 18일 2030년 온실가스 배출량을 2018년 대비 40% 감축하고 2050년엔 순배출량 제로 ( 넷제로 ) 를 달성하겠다는 목표를 의결했다. 이러한 에너지 전환으로 전기차 사용이 늘면서 특히 배터리용 리튬 수요가 급증하고 있다. 문제는 이런 핵심 광물자원들이 일부 국가에 몰려 있어 항상 수급 불안정 상황에 놓여있다는 것이다. 

유럽연합 ( EU ) 의 '지속가능한 배터리법' 제정이 가시화되면 2030년부터 산업·전기차용 주요 배터리 원료를 일정 비율 이상 재활용 소재로 구성해야 한다. 의무사용 비율은 리튬 4%, 코발트 12%, 니켈 4%이고, 2035년부터는 리튬 10%, 코발트 20%, 니켈 12%이다. 배터리의 원료로 일정비율 이상 재활용 원료를 사용해야 하기 때문에 수요가 증가할 예정이지만, 리튬, 코발트, 니켈, 희토류 등을 자연에서 채굴하는 속도가 수요를 따라잡지 못해 2035년에는 인플레이션이 일어날 수 있다. 미국, 유럽연합 ( EU ) , 호주 등 주요국은 코발트, 리튬과 같은 4차 산업혁명 관련 희유금속을 필수 광물자원으로 규정하고 여러 가지 다양한 방법으로 원료의 적극적인 확보 전략을 추진 중이다.

우리는 보다 효율적이고 친환경적인 재활용 기술개발을 통해 대용량 리튬이온전지의 완전순환형 공정 확립으로 리튬이온전지 제조 원가 경쟁력을 높일 뿐만 아니라 리튬이온전지 시장 확대에 따른 원료 공급을 재활용을 통해 확보 할 수 있을 것이다.

전기자동차의 배터리 재활용 공정

폐 리튬이차전지에서 리튬, 코발트, 니켈 등의 유가금속을 회수하는 방법은 크게 벨기에 유미코어에서 채택하고 있는 건식공정과 국내 성

일하이텍 ( 주 ) 과 중국의 재활용 업체에서의 습식공정으로 구분할 수 있다. 각 공정별 장단점은 있으나 개별 금속 및 리튬을 회수하기 위해서

는 습식공정이 유리한 면이 있다. 습식공정에 의한 처리 방법은 물리적 처리 공정과 화학적 처리 공정으로 나눌 수 있다.

물리적 처리 공정은 폐전지에서 활물질과 기타 물질들을 분리하기 위하여 해체, 파쇄, 선별, 분급 등의 단위공정을 말하며, 화학적 처리 공정은 분리된 활물질에서 침출, 침전, 용매추출, 전해채취 등의 단위공정을 거쳐 금속으로 회수하는 조작을 말한다.

자동차용 배터리 팩 중 셀은 58% 정도를 차지하고 있으며 나머지는 케이스, BMS ( Battery Management System ) , 냉각장치, 열관리 장치 등 이다. 셀 중에서 희소금속을 포함하고 있는 양극활물질이 있으며 양극활물질 중 Ni, Co, Mn의 금속 비율에 따라 622, 811, 9.5.5 ( 구반반 ) 등 으로 나눠진다. 최근 주행거리 확보를 위한 배터리 용량을 늘리기 위해 니켈의 사용량을 늘리고 배터리의 크기 또한 점점 대형화되고 있다.

폐 리튬이온전지 물리적 전처리 기술

폐 리튬이온 전지의 구성성분은 전지를 둘러싸고 있는 케이스와 양극, 음극, 그리고 이를 분리하는 분리막 등으로 구성되어 있다. 양극은 양극

활물질이 Al foil에 도포되어 있으며, 음극은 카본 ( Carbon ) 이 Cu foil에 도포되어 있다. 양극 활물질은 폐 리튬이온전지 내 약 30~40%를 차지하고 있으며, 양극은 75~85%의 양극 활물질과 알루미늄으로 구성되어 있다. 표에서 금속성분 함량을 확인할 수 있다.

현재 습식 공정에서의 폐리튬계 전지 재활용 공정은 파쇄, 자력선별, 분급 등의 물리적 전처리 공정을 거쳐, 그 중 활물질만을 선택적으로 농축

시켜 후속 공정으로 이송시켜 처리하고 있다. 폐 리튬이온 전지의 구성 성분은 케이스가 15%, 양극이 50%, 음극이 24%이다.

양극은 유가금속이 함유된 양극 활물질과 알루미늄 호일로 구성되어 있는데, 이 양극에는 전해액 및 기타 유기용매 등이 함유되어 있어 약 600℃에서 열처리하여 유기물을 제거한다. 이러한 고용량 배터리의 안전하고 효율적인 전처리 공정 기술개발로 희소금속을 BP ( Black Powder or Battery Powder, 양극활물질 및 음극활물질로 Li, Ni, Co, Mn 등이 포함된 희소금속 분말 ) 로 농축하여 침출, 용매추출, 결정화와 같은 습식 제련공정을 통해 고순도 배터리 원료로 재생산하여 전지 산업 원료로 사용할 수 있다.

폐 리튬이온전지 파쇄산물의 고순도화 공정

​물리적 전처리 공정을 거쳐 얻는 활물질로부터 코발트 및 니켈 등의 유가금속을 회수하기 위해서는 화학적 처리 공정이 필요하다. 공정은 여

러 가지 단위공정으로 구성되어 있는데 그 공정의 개략도를 그림 3에서 확인할 수 있다. 침출공정은 전처리를 거쳐 얻어진 양극활물질 분말

을 황산을 사용하여 금속성분을 용출시키며 환원제로 일정량의 과산화수소를 추가하여 침출한다.

과산화수소를 첨가하기 전에는 Co, Ni, Mn의 침출율이 55~65%정도로 낮으나, 과산화수소를 첨가하면 침출율이 80~90%까지 상승한다.

이는 환원제로 투입된 과산화수소에 의해 산화물 형태로 존재하는 금속들이 환원되어 침출율을 높이기 때문이다.

이렇게 침출된 용액은 불순물제거, 용매추출, 결정화 또는 전해채취를 통한 재활용 공정을 수행하게 된다. 이러한 전기자동차 배터리 팩의 효

율적 재활용 공정연구를 통해 향후 폭발적으로 발생 될 자동차용 배터리 팩의 재활용을 통해 전략금속 확보가 가능하다