리튬 이온 배터리 재활용과 관련한 새로운 발전

리튬 이온 배터리에 대한 전 세계 수요가 급증하고 있으며 그 수요가 주요 배터리 부품과 원자재 공급을 초과하면서 중대한 변곡점이 예상되고 있습니다.

리튬 이온 배터리로 구동되는 전 세계 전기 자동차 시장은 2027년까지 8580억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되고 있습니다. 그러나 전 세계의 리튬 이온 배터리 재활용 비율은 5%에 불과한 것으로 알려져 있습니다. 지금까지 리튬 이온 배터리 재활용은 불안정한 원재료 가격, 재활용 설비 부족, 규제 부재에 따른 영향을 받아 왔습니다. 그러나 재활용 방법의 발전, 높은 성장 잠재력, 한정적인 희소 금속 양에 따라 재활용 기술에 대한 관심이 커지고 있으며 시장 규모가 2030년까지 130억 달러 까지 증가할 것으로 예상되고 있습니다.

현재의 재활용 기법

오늘날 배터리 재활용 방법의 주요 유형은 세 가지가 있으며(그림 1) 가장 일반적인 재활용 방식은 습식 제련과 건식 제련의 조합입니다. 습식 제련과 건식 제련은 저렴한 비용과 낮은 복잡성으로 인해 관련 연구 및 특허 간행물 수가 기하급수적으로 증가했습니다(그림 2). 습식 제련은 용액(주로 수용성)을 사용하여 배터리 재료에서 금속을 추출 및 분리합니다. 건식 제련은 열을 사용하여 배터리 재료에 사용되는 금속 산화물을 금속 또는 금속 화합물로 변환합니다. 직접 재활용은 양극재를 제거한 후 재사용 또는 재생 과정을 거칩니다.

직접 재활용이 가장 좋은 이유

재활용 또는 재생 목적으로 양극재를 직접 제거하는 방식은 재활용 과정에서 결정 구조를 유지할 수 있으며 에너지, 시약 및 고정 시설 비용이 낮다는 점에서 이상적입니다. 그러나 우수한 배터리 재활용 조건을 확보하기 위해서는 더 많은 인건비와 더 높은 기준이 필요합니다. 배터리 설계의 통일성 부족과 배터리를 금속 공급 원료로 변환시키기 위한 습식 제련 및 건식 제련에 요구되는 막대한 노력이 최근까지 리튬 이온 재활용 분야에 부담을 준 주요 과제였습니다. 최근 한 논문에서는 현재 재활용 방식이 과거 제공되지 않은 활성 양극재를 제공하는 방법을 집중적으로 소개했습니다.

직접 재활용을 위한 새로운 접근 방식:

최근 Zheng Liang, Guangmin Zhou, Hui-Ming Cheng과 동료들이 Journal of the American Chemical Society에서 직접 재활용 기법 중 하나를 소개했습니다. 요오드화 리튬(LiI)과 수산화 리튬(LiOH)을 공융 조합하면 소금만 사용하는 것보다 낮은 온도인 200°C 미만에서 녹습니다. 결과적으로 이 조합은 접근이 보다 용이한 온도에서 액체가 됩니다.

복구된 소재에서 제조된 배터리의 용량은 완전히 복원되지 않았지만 200°C에서 3시간 동안 공융 혼합으로 연속 가열한 다음 850°C로 2시간 가열한 후에는 복원되었습니다. 그러나 Co₂O₃와 MnO₂을 공융 혼합물에 추가하자 2단계 프로세스로 NMC523이 복원되었습니다. 이 물질은 새로 생성된 물질과 유사한 결정 구조와 특성을 갖습니다.

이 접근 방식은 리튬 이온 배터리 양극을 완벽하게 복구하면서 새로 만드는 것보다 에너지와 자원을 적게 사용할 수 있습니다. 다 쓴 배터리 물질을 적은 비용으로 완전하게 되돌릴 수 있다면 비용이 많이 드는 다른 기법으로 만든 금속 또는 금속 산화물보다 훨씬 큰 마진으로 판매할 수 있습니다.

과제

그러나 Liang과 동료들이 개발한 접근법에도 해결해야 할 과제는 있습니다. 배터리를 분해한 후 재조립하는 과정이 필요하기 때문입니다. 배터리 설계와 양극 구성의 통일성 부족과 복잡성은 일반적으로 배터리 재활용의 장애물이 됩니다. 건식 제련으로 다양한 유형의 배터리를 처리할 수 있지만 직접 재활용과 습식 제련 방식은 서로 다른 배터리 유형 분류와 안전한 배터리 분해가 필수적입니다. 직접 재활용의 실용성을 확보하기 위해서는 배터리 구성과 설계를 규정하고 부호화해야 합니다. 공통 배터리 설계를 적용하면 분해가 더 간단해지지만 리튬 이온 배터리의 응용 범위를 고려하면 가능성이 크지 않습니다.

전망

잠재적으로 수요가 주요 금속의 공급을 초과하게 될 것이라는 점에서 리튬 이온 배터리에 대한 중대한 변곡점이 존재하므로 재활용이 이 격차를 해소하는 데 중요한 역할을 해야 합니다. 자원 보존, 환경 영향, 비용 효율성은 미래 혁신을 가속화하기 위한 주요 동인이 될 것입니다.

이 최근 연구는 리튬 이온 배터리 재생과 직접 재활용에 대한 상업적 접근 방식을 제시하지는 않지만 실제 구현이 기술적으로 가능함을 보여줍니다. 이 접근법은 열수 기법이 아닌 공융 시스템을 사용한다는 점에서 이전 직접 재활용 방법과 다릅니다. 상업적으로 유용한 직접 재활용 기법은 리튬 이온 배터리 부품 공급의 안전성을 높이고 에너지 저장을 위한 액체 연료 대안으로서 그 지속 가능성에 기여할 것이며 인간의 CO₂ 배출을 낮춰 기후 변화를 완화하는 데 크게 기여할 것입니다. 리튬 이온 배터리 재활용에 대한 새로운 트렌드를 최신 CAS 보고서에서 알아보십시오.

3D 프린팅은 적층 방식을 사용해 3D 물체를 생성하며 소비재 제작, 법의병리학, 생의학과 같은 여러 업계에서 사용하고 있습니다. 의약품, 인공 귀, 인공 장기도 제조 가능합니다. 최근 발간된 과학 학술지에서는 CAS Content Collection™을 분석하여 생의학 부문의 3D 프린팅에 대한 개요를 제공하고 조직 및 장기 제조, 삽입물, 인공 기관, 제약품 등과 관련 있는 3D 프린팅 기술, 소재, 혁신 관련 동향을 보여 줍니다.

조직 및 장기 3D 프린팅의 경우 여전히 공여부 이환율과 이식 실패와 같은 과제가 존재하긴 하지만, 바이오잉크의 발전, 배지의 사용, 줄기 세포의 활용이 이러한 제약을 극복하는 데 도움이 되고 있습니다. 최근의 과학 학술지에서 계속해서 확장 및 성장하고 있는 생의학 부문의 3D 프린팅에 대해 자세히 알아보십시오.

적층 가공이라고도 알려진 3D 프린팅이 디지털 파일을 기반으로 실제 물체를 만들어 내는 방식에 혁신을 불러오고 있습니다. 이제 이러한 기술을 대중적으로 이용할 수 있으며 생의학을 포함한 여러 분야에서 이러한 기술을 활용할 수 있습니다. 제약품, 인공 귀, 심지어 인공 장기까지 제조할 수 있는 역량을 갖춘 생의학에서의 3D 프린팅의 잠재력은 그야말로 무궁무진합니다. 이 심층 보고서에서는 생의학 분야의 3D 프린팅 기술과 소재에 대한 최신 트렌드와 혁신을 분석하는데, 여기에는 조직 및 장기 제조, 삽입물, 인공 기관 등이 포함됩니다.

생의학 3D 프린팅의 동향과 혁신

오늘날 우리는 3D 프린팅의 대격변을 목격하고 있습니다. 한때 주요 연구 대학과 Fortune 500대 기업만 사용할 수 있었던 3D 프린팅 기술은 점점 대세로 자리잡아 2021년에는 220만 대의 3D 프린터가 출하되었습니다. 2030년에는 2,150만 대의 프린터가 출하될 것으로 예측되므로 이 고속 프로토타이핑 기술은 앞으로 더욱 대중화될 것입니다.

오늘날에는 항공우주부터 건설에 이르는 모든 주요 업계에서 빠르고 비용 효율적인 제조를 위해 3D 프린팅 기술을 활용하고 있는 것으로 보입니다. 3D 프린팅을 활용하는 모든 업계 중에서도 의공학 부문이 해당 기술의 용도와 관련해 가장 큰 잠재력을 지니고 있습니다. 이 기사에서는 의료 및 의약 부문에서 떠오르고 있는 3D 프린팅에 대해 알아보겠습니다.

모든 것의 시작 — 3D 프린팅의 역사

1981년에 일본의 발명가인 Hideo Kodama가 "고속 프로토타이핑 기기"에 대해 최초로 특허를 출원하였으나, 그 다음해 Kodama 박사가 특허 관련 재정 처리를 포기하면서 이 개념은 사라지는 듯 했습니다. 하지만 이 아이디어는 이후 이루어질 혁신들을 위한 촉매제가 되었습니다. 1984년에 Charles Hall은 스테레오리소그래피 시스템(SLA)에 대한 특허를 출원했는데, 이것이 바로 지금까지 널리 사용되고 있는 3D 프린팅 기술입니다. 이어서 1988년에 상업적으로 이용 가능한 획기적인 SLA 기술 기반 3D 프린터가 최초로 출시되었습니다.

이후 다른 주요 3D 프린팅 기술이 그 뒤를 이었습니다. 1980년대 후반에는 두 가지 유형의 적층 가공 기기에 대한 특허가 추가로 출원되었는데, 그 두 기술이 바로 용융 적층 모델링(FDM)과 선택적 레이저 소결(SLS)입니다. FDM은 압출이라는 기법을 사용하는데, 노즐이 가열된 재료를 층층이 쌓아 올려 3D 제품을 만듭니다. SLS의 작업 방식은 약간 다른데, 분말 형태의 재료를 빌드 플랫폼에 도포한 후 3D 프린팅 제품의 각 층을 빠르게 굳힙니다(소결). 이후 얼마 지나지 않아 “분사식”(2D 잉크젯 프린팅 기술을 수정한 버전) 기술과 액조 광중합 기술이 개발되었습니다.

이러한 기술은 원래 특허 사용자만 이용할 수 있었습니다. 그러나 해당 특허가 만료되고 RepRap 오픈소스 개념이 탄생하면서 이제 새로운 기업들도 이 분야에 진출할 수 있게 되었습니다. 가장 큰 혁신 중 다수는 생의학 부문에서 이루어졌는데, 이식 수술을 위한 최초의 3D 프린팅 장기 개발(방광)을 예로 들 수 있습니다.

오늘날에는 생의학 부문에서 3D 프린팅이 널리 사용되고 있습니다. 생의학 3D 프린팅의 세계 시장 규모는 2021년에 14억 5천만 달러에 달할 것으로 예상되었으며, 2030년에는 약 62억 1천만 달러까지 그 규모가 늘어날 것으로 예측됩니다. 생의학 3D 프린팅의 주요 동향을 알아보기 위해, 엄선된 최대 규모의 과학 자료 컬렉션 CAS Content Collection™의 데이터를 분석하였습니다.

3D 프린팅 기술 및 재료

3D 프린팅은 크게 네 가지 범주인 분말 소결, 분사, 압출, 광중합으로 나눌 수 있습니다. 각 기술의 활용 범위가 다르기 때문에 모두를 만족시킬 수 있는 단 하나의 3D 프린팅 기술은 존재하지 않습니다. 그러나 생의학 3D 프린팅 부문에서는 FDM 같은 압출 기반 기술을 가장 널리 사용하고 있습니다(그림 1).

플라스틱부터 금속, 천연 소재까지, 광범위한 재료를 생의학 3D 프린팅에 활용할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 3D 프린팅 재료 중 하나는 바로 폴리카프로락톤과 폴리(젖산)와 같은 합성고분자였는데(그림 2), 미세 유체 공학과 의료용 삽입물에 활용됩니다. 가장 널리 사용되는 무기 물질은 치과 재료와 뼈 회복을 위한 충전재로 사용하는 수산인회석이었습니다. 또한 알지네이트와 히알루론산 같은 다양한 천연 고분자도 바이오프린팅 부문에서 인기를 얻고 있습니다.

생의학 3D 프린팅의 부상

생의학 3D 프린팅 부문 관련 학술지 및 특허 간행물의 연간 동향을 보면 이 분야에서 혁신이 활발하게 이루어지고 있다는 사실을 알 수 있는데, 특허 간행물(약 5,700개)보다 학술지의 수가 압도적으로 더 많았습니다(약 15,000개)(그림 3). 이러한 추세는 최근 몇 년간 해당 기술의 상업화 비율이 증가했음을 나타냅니다.

약 90개의 국가가 생의학 3D 프린팅 부문에 대한 논문을 발표하였는데, 이를 통해 많은 사람이 이 기술에 관심을 보이고 있다는 것을 알 수 있습니다. 그중에서도 미국과 중국이 가장 많은 학술지와 특허 간행물을 발간하며 이러한 흐름을 주도하였습니다(그림 4 및 5).

특허권자와 관련해 생의학 3D 프린팅 동향을 자세히 살펴보면, 가장 많은 특허를 보유한 회사는 바로 미국에 본사를 둔 3M이었습니다. 그 외에도 한국, 리히텐슈타인, 프랑스, 중국 등의 국가에서 활발하게 특허 간행물을 발간하고 있습니다(그림 6).

생의학 3D 프린팅의 혁신적인 용도

앞서 생의학 3D 프린팅의 주된 용도를 몇 가지 언급했지만, 아직도 그 가능성은 무궁무진합니다. 의료용 삽입물의 개발부터 의료 기기의 제조까지, 다양한 혁신이 빠르게 실현되고 있습니다. 조직 및 장기 공학은 3D 프린팅을 활용하는 주요 분야 중 하나로, 연골, 근육, 피부와 같은 복잡한 구조가 생성되는 과정을 분석합니다. CAS Content Collection의 분석에 따르면 “조직 공학”, “조직 인공지지대”, “바이오프린팅”과 같은 개념이 조직 및 장기 관련 생의학 3D 프린팅 간행물에 자주 언급되는데, 이 연구 분야의 중요성이 크다는 것을 나타냅니다(그림 7).

또한 제약 분야에서 3D 프린팅 기술을 활용하면 맞춤 의학이라는 까다로운 목표를 실현하는 데 도움이 됩니다. 생의학 3D 프린팅을 사용하면 제약품의 복용량, 형태, 크기, 흡수 특성을 수정 및 미세 조정하는 것이 가능할 수 있습니다.

그뿐만 아니라 생의학 3D 프린팅 기술은 인공 기관 및 삽입물의 생성과 관련해 새로운 역량을 창출해 내었으며, 환자의 몸, 피부색, 체형, 크기에 맞춰 인공 기관을 생성할 수 있는 잠재력을 갖습니다. 유연한 소재를 활용하므로 신체 부위와 기능 면에서 더 자유로워지고, 뼈 재건술에 티탄 합금과 같은 금속을 활용할 수 있습니다. CAS 컨텐츠 컬렉션의 분석에 따르면 “인공 기관 삽입물”, “인공 기관 소재”, “치아 임플란트”와 같은 개념이 정형외과 및 인공 기관 관련 3D 프린팅 간행물에 자주 언급되었습니다(그림 8). 비록 조직 및 장기보다 간행물 수가 훨씬 더 적지만 분명히 빠르게 성장 및 변화하고 있는 분야입니다.

생의학 3D 프린팅의 과제

비록 생의학 3D 프린팅은 지금까지 많은 발전을 이루어 냈지만, 이 기술은 많은 부분에서 여전히 초기 단계에 있습니다. 예를 들어 연구원들이 혈관생성 심장 패치를 바이오프린팅하는 데 성공한 것은 맞지만, 실제 크기의 장기는 고사하고 견고한 심장 판막을 만드는 기술조차 아직 개발되지 않은 상황입니다. 현재 3D 프린터는 실제 조직의 생체 역학 구조와 기능을 똑같이 갖춘 조직을 만들어 낼 수 없습니다. 바이오잉크의 발전과 배지 및 줄기 세포의 활용이 미래에 이러한 방법을 최적화하는 데 도움이 될 것입니다.

생의학 3D 프린팅의 미래

오늘날의 연구 동향들로 미루어 보았을 때, 생의학 3D 프린팅에 대한 상당한 투자와 혁신이 계속해서 이어질 것이라고 예상해 볼 수 있습니다. 이러한 기술이 앞으로 더 보편화될 것이라고 예측해 볼 수 있는데, 약국에서 3D 프린터를 사용할 날이 머지 않았습니다. 생의학 3D 프린팅을 위해서는 병원에서 많은 비용을 투자해야 하지만, 제대로 된 계획을 활용한다면 이 기술은 투자한 비용보다 훨씬 더 많은 가치를 제공해 드릴 수 있습니다. 기술이 성장함에 따라 용어를 표준화해야 하며, 미국식품의약국이 생의학 3D 프린팅 제품의 안전과 효율성을 보장하는 새로운 규제 프레임워크를 정의해야 합니다.

자세한 내용을 알아보려면 통찰력 보고서를 다운로드하십시오.