쏟아지는 리튬 배터리…방법은 재활용 뿐?

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스마트폰, 태블릿, 노트북…우리가 사용하고 있는 모바일 기기에는 대부분 *리튬 이온 배터리가 사용됩니다. 자동차 시장에서 뜨고 있는 전기차에도 이 배터리가 들어있죠.

*리튬 이온 배터리는 리튬을 주 소재로 해 만들어진 전지로, 그전까지 사용했던 니켈 금속수소 전지에 비해 가볍고, 용량이 크다는 장점이 있어요.

내연기관차를 전기차가 대신하고, 스마트폰 생산이 계속된다면 리튬 이온 배터리 사용은 점점 많아질 것으로 보입니다. 그만큼 버려지는 폐배터리도 많겠죠. 환경보호단체 그린피스는 2030년에는 1200만 톤의 폐배터리가 쏟아져 나올 것이라 예상하고 있어요.

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다 쓴 리튬 배터리, 재활용 못 해?

폐배터리는 환경에 치명적인 것으로 알려졌습니다. 리튬, 산화코발트, 망간, 니켈 등의 물질이 쓰이는 배터리는 국립환경과학원에서 ‘유독 물질’로 지정하고 있어요. 매립해 처리할 경우, 폐배터리서 나온 전해액과 전극에 사용한 중금속이 토양과 지하수를 오염시킬 수 있고, 소각하면 유해 물질이 배출되기 때문이죠.

이렇다 보니 폐배터리를 재활용하기 위해 국내·외 기업들이 바쁘게 움직이고 있는데요. 문제는 이 리튬 배터리 재활용이 어렵다는 거죠. 기존의 납 배터리 재활용 방식과 달리 훨씬 복잡합니다. 보통 배터리 재활용 공장에선 배터리를 가루로 분쇄한 뒤, 그 가루를 녹이거나 산성 물질로 용해하는데요.

리튬 이온 배터리는 훨씬 더 다양한 물질로 만들어져 재활용이 쉽지 않아요. 폭발할 수 있는 물질이 함유돼 있다 보니 조심스럽게 분쇄해야 하고, 게다가 분해 비용이 많이 들기 때문에 재활용보다 새 배터리를 생산하는 게 더 저렴하다고 해요. BBC는 “방법, 비용적인 측면에서 뾰족한 방법이 없어 버려진 리튬 배터리 중 약 5%만 재활용되고 있다”라고 밝혔어요.

IEEE Spectrum

재활용이 필요한 또 하나의 이유

새 배터리를 생산하는 게 더 나을 정도라니… 그래도 제조업체 입장에서는 쌓이는 폐배터리를 외면할 순 없을 텐데요. 폐기물 외에도 배터리를 재활용해야 하는 이유는 한 가지 더 있습니다. 리튬 배터리를 생산하는 과정에서도 유해 물질이 많이 발생하기 때문이죠.

리튬 배터리는 리튬, 코발트 등 희토류 소재로 제작되는데요. 이런 희귀 광물을 채굴 과정은 친환경과는 거리가 멀어요. 채굴 과정에서부터 방사성 물질이 섞인 유해 부산물이 발생하고, 이를 공정하는 단계에서도 대기오염물질이 만들어집니다.

게다가 채굴 과정에서도 엄청난 양의 물(1톤당 약 227만 3000리터)이 필요해요. 생산과 폐기 과정 모두에 문제가 있는 셈이죠.

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차세대 먹거리, 폐배터리 사업

재활용만 된다면 생산할 때 발생하는 문제, 폐기할 때 발생하는 문제를 모두 해결할 수 있는데요. 이런 이유로 폐배터리 시장 전망을 밝게 보고 있어요. 2030년 20조 원, 2050년엔 600조 원(시장조사업체 SNE 리서치, 2021년 기준) 규모로 성장하리라 점쳐지고 있답니다. 2019년에 약 1조 6500억 원에 못 미친 것에 비하면, 성장률이 대단하죠.

시장 선점을 위해 국내외 기업들 그리고 연구기관이 나서고 있어요. 어떤 방식으로 리튬 배터리를 재활용한다는 건지, 살펴볼게요.

미국 우스터 폴리테크닉대 기계공학과 : 지난해 12월 국제 학술지 ‘줄’에 게재된 바에 따르면, 대학 연구진은 리튬 이온 배터리를 유해 물질 생성 없이 분해, 재활용하는 방법을 개발했습니다.

새로운 다공성 미세구조로 재정비해 리튬 이온의 이동을 용이하게 만들어 폭발 위험성을 줄이고, 기존처럼 에너지 밀도를 다시 생성하는 거죠. 이 방법대로라면 최대 1만 1600번의 충방전을 반복할 수 있다고 해요. 연구를 주도한 얀 왕 교수는 올해 공장을 설립해 1만t 이상의 배터리를 처리할 계획이라고 밝혔어요.

독일 화학기업 뒤젠펠트 : 뒤젠펠트는 리튬 이온 배터리의 분쇄물질, 전해질 둘 중 하나만 남을 때까지 분해해 파쇄된 재료에서 이전의 원료를 얻는 기술로 배터리를 재활용한다고 밝혔어요. 흑연, 망간, 니켈, 코발트, 리튬 등을 다시 새로운 배터리 재생산에 투입해 재활용한다는 거죠. 96%의 요소를 다시 사용하는 건데요. 현재 리사이클링 공정 과정을 자사 공장에서 테스트해 보고 있는 단계라고 해요.

프라운 호퍼 연구소 : 해당 연구소도 리튬이온배터리를 새롭게 분해하는 방법을 개발했습니다. 셀의 개별 구성요소를 분리할 수 있을만한 충격파를 이용하는 방법인데요. 해당 방식으로 화학적 활성 물질을 빼내, 다시 활용할 수 있는 방법을 연구 중입니다. 리튬이온배터리를 포함해 리튬 기반 고체 배터리는 모두 재활용하는 게 연구 목적이고요.

SK이노베이션 : SK이노베이션은 폐배터리에서 리튬을 ‘수산화 리튬 형태’로 우선 추출을 한 뒤, 다른 주요 물질인 니켈과 코발트, 망간 등 금속을 추출하는 방식을 사용할 계획입니다. 재활용을 할 수 있는 물질만 뽑아내 새로운 배터리에 투입한다는 거죠. ‘배터리에서 배터리를 캐낸다’는 목적인데요. 타 연구기관보다 핵심 원재료를 보다 많이 고순도로 추출 가능하다는 장점이 있긴 한데, 아직까지는 연구단계에 머물러있지 양산에 돌입하진 않았다고 해요.

한국전지산업협회 : 삼성, 현대차, SK, LG를 포함한 지자체, 연구기관, 대학, 대기업, 중소기업은 ‘폐배터리 재사용 얼라이언스’를 출범해 폐배터리의 재사용-재제조-재활용을 일원화하는 시스템을 개발 중입니다. 사용한 배터리나 부품을 수리해 새 제품으로 성능을 되돌리는 방식으로, 핵심 부품을 수거해 다시 사용할 계획이에요. 완전한 재활용 방식은 아니지만, 남겨진 폐배터리는 활용해 응용 제품으로 개발하겠다는 목표도 있어요.

The Times of Israel

리튬 배터리 말고,

완전히 새로운 배터리?

아직까지는 완벽하게 리튬 배터리를 재활용하는 방법이 마련되지 않은 상태입니다. 연구 단계에 불과하죠. 관련 전문가들은 리튬 배터리 재활용 방법과 동시에 지속 가능한 배터리 개발에도 힘을 실어야 한다고 주장하고 있어요. 10~15년 뒤 쏟아질 폐배터리에 대비해 이를 활용할 방법도 중요하지만, 앞으로는 쓰레기가 나오지 않는 아예 친환경적인 배터리를 미리 설계해둬야 한다는 거죠.

지난해 ‘배터리 기술의 미래’ 행사에서 강기석 서울대 재료공학부 교수는 “폐배터리는 어떻게든 저비용으로 다른 용도에는 사용이 가능할 것이다. 중요한 건, 비닐봉지를 어떻게 분해하는 가를 연구하는 것처럼 생분해 가능한 배터리를 개발하면 재사용보다 훨씬 더 지속가능한 발전이 될 수 있을 것”이라고 강조했어요.

테크플러스 에디터 전다운

tech-plus@naver.com​

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