10년 전 Nature에 발표된 한 논문에서 “리튬, 새로운 황금인가?"라는 질문을 던졌습니다. 이는 리튬 이온 배터리(LIB)에서의 금속 사용과 자원 매장량, 수요의 불확실성을 고려한 질문이었습니다. 오늘날 리튬 이온 배터리의 재활용 산물로 금속이 풍부한 물질을 의미하는 ‘블랙 매스(black mass)’를 리튬 이온 시장의 새로운 "황금"으로 볼 수 있을 것입니다. 현재 전세계 LIB 시장의 전체 규모는 410억 달러에 달하며 2030년까지 1160억 달러 규모로 증가할 것으로 예상됩니다.
또한 2040년에는 전세계에서 판매되는 모든 차량의 58%가 전기 자동차로 대체될 것이며 관련 일반 폐기물의 양은 최대 8백만 톤에 이를 것으로 예상됩니다. 이러한 예측에도 불구하고 현재 전세계 LIB 재활용율은 5%에 불과하며 이는 환경과 지구 광물 자원이 위험한 상황에 처해 있다는 것을 의미합니다.
CAS 정식 보고서에서 다룬 내용을 살펴보면 LIB 재활용은 배터리 재료의 금전적 가치 변화, 배터리 설계 및 재료와 재활용 시설 내 기술적 융합의 부족(및 관련 재활용 인력 비용)을 비롯한 다양한 요인의 영향을 받기 때문입니다. 재료 보안, 안전 및 환경 이점을 포함하여 재활용 이점의 활용 부족과 세계 각국의 재활용 규정 부재 또한 주요 요인입니다.
리튬 이온 배터리 재활용 과제에 대한 대처
리튬 이온 배터리 재활용 과제는 엄청난 성장 기회를 함께 가져다 줍니다. 예를 들어, 2019년 전세계 생산에서 재활용된 약 50만 톤의 배터리에서 15,000톤의 알루미늄, 35,000톤의 인, 45,000톤의 구리, 60,000톤의 코발트, 75,000톤의 리튬, 90,000톤의 철을 회수할 수 있었으며 이는 물질 보안과 함께 경제 및 환경 측면에서 큰 이점을 제공합니다.
CAS 정식 보고서에도 나와 있듯이 리튬 이온 배터리 재활용에 대한 관심이 빠르게 증가하는 것은 당연한 일이며 ‘블랙 매스’에 대한 일반 대중의 관심 급증 또한 이러한 추세를 반영합니다. CAS Content Collection™은 리튬 이온 배터리 재활용에 대한 과거 학술지와 특허 문헌에 대한 고유한 접근 방식으로 재활용 가능 배터리의 새로운 동향을 파악하고 일회용 재료의 용도를 새롭게 정의하며 미래 기회를 예측할 수 있도록 했습니다.
현재 사용되고 있는 리튬 이온 배터리 재활용 방법
대부분의 경우 습식 제련과 건식 야금법의 조합이 LIB를 처리하는 데 사용되지만 직접 재활용에 대한 인기도 높아지고 있습니다(다음 내용 참조). 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 음극 재료를 제거한 후 재사용 또는 재생 과정을 거칩니다.
라이 사이클에서 증가하는 연구 동향
지난 10년 간 전세계 과학 간행물 수가 점진적으로 증가한 한편, 라이 사이클 주제 관련 연간 간행물 증가율(32%)이 그 새로운 관심도를 반영하여 전체 과학 간행물 증가율(연간 4%)보다 훨씬 높은 것으로 나타났습니다.
이와 같은 맥락에서, 3가지 LIB 재활용 방법과 관련된 간행물 수가 지난 10년 간 전반적인 증가 추세를 보였으며 최근 그 증가세가 더욱 커졌습니다(그림 2). 그중에서도 중국이 학술지와 특허 간행물에서 모두 가장 높은 비율을 나타냈습니다(전체 간행물의 약 90%, 그림 3 참조).
사용한 특정 프로세스 관점에서는 2015년 이후 습식 제련 방식이 건식 제련 방식을 크게 앞질렀으며 최근에는 직접 재료 재활용 또한 크게 증가했습니다(그림 2). 과거 연구량이 많지 않았던 LIB 구성품(보다 종합적이고 새로운 재활용 관리에 대한 관심 시사)과 LIB 분해에 대해서도 많은 연구 노력이 이어지고 있습니다(그림 4). 배터리 분해는 재활용 가능한 재료의 양을 극대화할 수 있다는 점에서 바람직한 시도입니다.
전세계 배터리 재활용 역량
현재 LIB 재활용 역량은 동아시아 지역에 집중되어 있습니다. 그중 중국이 전세계 재활용 역량의 절반 이상을 차지하고 나머지 LIB 재활용 역량의 대부분은 유럽이 보유하고 있습니다(그림 5). 제안된 LIB 재활용 시설은 재활용 역량을 약 25% 개선하며 대부분의 새로운 역량은 북미 지역에 집중되어 있습니다. 현재 재활용 역량을 갖추는 데는 LIB 재활용 규제 효과가 영향을 미치고 있으며 향후 역량을 갖추는 데는 경제적 동기가 더 큰 영향을 미치게 될 것입니다.
전세계 리튬 이온 배터리 재활용 규제 현황
전반적으로 리튬 이온 배터리 재활용 규제가 증가하고 있습니다. 많은 국가들이 재활용 방법에 대한 연구 자금을 지원하고 있으며 리튬 이온 배터리 재활용법을 보유하고 있는 국가도 많습니다. 중국과 유럽 연합의 경우 LIB 재활용을 위한 포괄적인 규제 프레임워크를 보유하고 있거나 입법 단계에 있습니다. 리튬 이온 배터리 재활용 관리에 대한 관심 증가와 함께 이러한 노력은 전기차, 휴대 전화 사용의 증가 사례처럼 전세계 리튬 이온 배터리 사용량이 계속 증가하는 상황에서 미래를 위한 고무적인 조치입니다.
CAS Insights 보고서의 리튬 이온 배터리 재활용 연구 동향에 대한 개요를 확인하십시오. 전세계 규제 현황, 경제적 이점에 대한 평가와 함께 현재와 미래의 전세계 LIB 재활용 노력을 이해할 수 있습니다.
