리튬이온 배터리 재활용의 혁신

전기차(EV)와 리튬 이온 배터리(LIB)를 사용하는 전자 기기가 급증함에 따라 배터리 재활용 공정의 규모를 확대하는 것이 매우 중요해졌습니다. 재활용은 폐기물을 줄이고 배터리가 환경에 미치는 영향을 최소화하며 귀중한 자원을 회수하는 데 필수적입니다. 지원 정책을 시행하고 첨단 기술에 투자하며 협력을 강화함으로써, 배터리 재활용 산업은 자원 부족 문제를 해결하고 탄소 배출량을 줄이는 순환 경제를 구축할 수 있습니다.

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리튬 이온 배터리 재활용의 현주소

전 세계 LIB 재활용 산업은 정부와 기업이 수요 증가에 대응함에 따라 크게 확장되고 있습니다. 2025년 기준, 기존 재활용 시설의 처리 용량은 연간 약 160만 톤에 달합니다. 계획된 시설들이 추가되면 이 용량은 연간 300만 톤을 넘어설 것으로 예상됩니다.  

이 시장은 주로 강화되는 환경 규제, 전기차 공급망 탈탄소화의 필요성, 폐배터리 증가, 그리고 리튬, 코발트, 니켈과 같은 핵심 소재에 대한 수요 증가에 의해 주도되고 있습니다. 이러한 동인들을 자세히 살펴보겠습니다.

규제 강화 및 규정 준수 요구 사항  

생산자 책임 재활용 제도(EPR), 유해 폐기물 관리, 수명 종료 후 재활용과 같은 의무 사항들이 산업의 형태를 바꾸고 있습니다. 체계적인 재활용 정책은 안전 문제를 줄이고 폐LIB에서 재사용 가능한 소재가 손실되는 것을 방지하는 동시에, 희소 자원의 회수를 촉진할 수 있습니다. 또한 순환 경제 정책, 산업 표준, 정부 지원금은 성장을 장려합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 지난 10년간 미국, EU, 아시아 국가(중국, 한국, 인도)에서 LIB 재활용과 관련된 수많은 정책이 개발되었습니다. 이 중 중국은 LIB 재활용 관련 정책을 제안하고 시행하는 데 가장 적극적이었습니다.  

자동차 OEM의 공급망 탈탄소화 우선순위 지정  

전기차는 연료 연소로 인한 배기가스를 배출하지 않기 때문에 친환경적인 것으로 간주됩니다. 하지만 전기차 제조 과정에서 LIB 생산은 전체 배출량의 약 40~60%를 차지하는 주요 탄소 배출원입니다. 리튬, 니켈, 코발트와 같은 필수 광물을 채굴하고 정제하는 과정에서 상당한 양의 CO₂가 배출됩니다.

탄소 발자국을 줄이라는 규제 기관, 투자자, 이해관계자들의 압력이 거세짐에 따라 주요 자동차 OEM들은 전반적인 배출량을 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 배터리 재활용과 원자재 회수는 이를 달성하기 위한 중요한 단계입니다. 또한 배터리 재활용은 운송, 제조 및 기타 공정에서 에너지 소비와 탄소 배출을 줄이는 데 도움이 됩니다. 프라운호퍼 IWKS의 연구에 따르면 리튬 배터리 1kg을 재활용하면 이산화탄소 환산량 기준 2.7~4.6kg의 탄소 배출을 줄일 수 있다고 합니다.  

첫 번째 전기차 배터리 교체 시기 도래  

간단히 말해, 도로 위 전기차가 많아질수록 유통되는 배터리도 늘어납니다. LIB 성능은 시간이 지남에 따라 점차 저하되며, 현재 기술 수준에서 전기차 배터리의 평균 수명은 5~8년입니다. 즉, 과거에 시장에 출시된 초기 전기차 배터리들이 이제 "교체 물결"을 맞이하고 있는 것입니다.  

딜로이트의 최근 연구에 따르면, 전기차 배터리 교체 규모는 2021년부터 2030년까지 연평균 43%의 빠른 성장세를 보이며 2030년에는 연간 1,483GWh에 이를 것으로 예상됩니다(그림 2 참조). 글로벌 전기차 시장을 선도하는 중국 시장은 전 세계 배터리 재활용 용량의 약 70%를 차지하며 배터리 재활용 분야에서도 가장 큰 규모를 형성할 것으로 보입니다.

수많은 배터리가 수명을 다함에 따라, 이러한 폐배터리가 환경 오염을 유발하지 않도록 폐기물 흐름에서 분리하는 것이 매우 중요합니다. 또한 제조업체들은 새로운 배터리 생산을 위해 원자재를 회수하고자 노력하고 있습니다.

핵심 원자재의 미래 공급 부족을 해결하기 위한 재활용

리튬 배터리 산업의 발전은 상류 부문 핵심 광물의 가용성에 의해 제약을 받고 있습니다. IEA의 전망에 따르면, 2050년 넷제로 배출 시나리오 하에서 전 세계 리튬 수요는 2040년까지 1,431kt에 달해 현재 생산 수준보다 7배 증가할 것으로 예상됩니다. 마찬가지로 니켈과 코발트 수요도 2040년까지 각각 6,386kt와 472kt로 두 배 증가할 것으로 예상됩니다.

이러한 핵심 광물에 대한 수요 급증에도 불구하고, 채굴 및 제련 역량을 확장하려면 막대한 투자와 수년에 걸친 개발 주기가 필요합니다. 배터리 재활용은 리튬이온배터리(LIB) 산업이 기존 원자재 채굴에 대한 의존도를 낮추고 향후 공급 중단 위험을 완화할 수 있는 경로를 제공합니다.

리튬이온배터리 재활용 개선을 위한 기술 혁신

당사는 배터리 재활용 기술의 진화 과정을 더 깊이 이해하기 위해 인간이 직접 큐레이션한 최대 규모의 과학 정보 저장소인 CAS Content Collection™을 조사했습니다. 분석을 통해 도출한 주요 내용은 다음과 같습니다.

주요 플레이어: 글로벌 리더와 트렌드 공개: LIB 재활용에 대한 강력한 상업적 관심은 일반적인 1:5 비율과 비교했을 때 2:1이라는 압도적인 특허 대 저널 출판물 비율에서 명확히 드러납니다(그림 3A 참조). 또한 전체 출판물의 지리적 분포를 분석한 결과, 그림 3B와 같이 이 분야에서 아시아 국가들의 지배력이 두드러졌습니다. 중국이 선두 주자로 부상했으며 일본과 한국이 그 뒤를 이었습니다. 미국과 독일 또한 주요 위치를 차지하고 있습니다.

선두 주자: LIB 재활용의 주류로 자리 잡은 건식 제련과 습식 제련. LIB의 주요 재활용 방식은 건식 제련, 습식 제련, 직접 재활용입니다. 건식 제련은 고온 처리에 의존하고, 습식 제련은 화학적 용해를 사용하며, 직접 재활용은 전극의 화학적 구조를 유지하는 것을 목표로 합니다. 이러한 방식으로 회수된 금속은 화학적 조성이 다양하며, 건식 제련을 통해 합금 형태로 회수된 금속은 종종 추가적인 화학 공정이 필요하여 습식 및 건식 제련 단계를 결합한 하이브리드 방식이 사용되기도 합니다.

그림 4는 CAS Content Collection 데이터를 사용하여 건식 제련, 습식 제련 및 직접 재활용의 출판물 트렌드를 보여줍니다. 출판물의 전반적인 증가는 LIB 재활용의 중요성이 커지고 있음을 강조하며, 특허 수는 이 분야에 대한 높은 상업적 관심을 반영합니다. 습식 제련은 출판물 수에서 건식 제련을 근소하게 앞서고 있으며, 직접 재활용은 크게 뒤처져 있습니다. 습식 제련 분야에서 저널 출판물의 비중이 더 높다는 것은 더욱 효율적이고 비용 효과적이며 친환경적인 새로운 화학 공정에 대한 기초 연구가 활발히 진행되고 있음을 시사합니다.

캐소드 왕좌: 리튬이온배터리에서 캐소드 재활용의 핵심 역할. 재활용 방식의 선택은 배터리 구성 요소와 회수되는 재료에 따라 달라집니다. 코발트(Co), 니켈(Ni), 리튬(Li)과 같은 금속의 높은 가치로 인해 캐소드 재활용이 최우선 순위가 됩니다.

그림 5에서 볼 수 있듯이, 당사는 일반적인 LIB 캐소드 유형과 재활용 방식 간의 연관성을 분석했습니다. 리튬인산철(LFP), 니켈·망간·코발트(NMC), 니켈·코발트·알루미늄(NCA)은 전기차와 관련된 세 가지 주요 캐소드 유형입니다. 이 중 LFP와 NMC가 널리 채택되고 있으며, 이들의 재활용 방식은 문헌에서 광범위하게 논의되고 있습니다. 일반적으로 습식 제련, 건식 제련, 하이브리드, 직접 재활용 순으로 많이 언급됩니다. LFP의 경우 건식 제련에 관한 출판물이 약간 더 많은데, 이는 저가치 금속으로 인해 습식 제련의 화학적 요구 사항을 충족하는 것이 비용 효율적이지 않기 때문일 가능성이 큽니다.

NCA는 상대적으로 사용 빈도가 낮아 문헌에서 재활용 연구가 덜 이루어지고 있습니다. 리튬망간산화물(LMO)은 하이브리드 자동차나 전자 기기에 사용되는 캐소드 유형이며, 리튬코발트산화물(LCO)은 전자 기기에 사용됩니다. 이러한 캐소드 재활용에 대한 출판물 빈도 역시 위에서 언급한 일반적인 트렌드를 따랐습니다.

재활용 대결: 리튬이온배터리 재활용 방식의 최종 비교. 건식 제련, 습식 제련, 직접 재활용을 비교하면 각 방식마다 뚜렷한 장단점이 있음을 알 수 있습니다(그림 6 참조). 건식 제련은 필요한 온도에 도달하기 위해 상당한 전기나 연료가 필요한 에너지 집약적인 방식이며, 대량의 배출물을 생성합니다. 또한 이 공정은 리튬, 알루미늄, 망간 회수에 어려움이 있으며, 종종 추가 처리가 필요한 슬래그를 형성합니다.

습식 제련은 에너지 집약도는 낮지만 상당한 양의 액체 폐기물을 생성하여 추가 처리가 필요합니다. 직접 재활용과 습식 제련은 캐소드 유형에 따라 맞춤화가 필요할 수 있지만, 건식 제련의 고온 방식은 다양한 배터리 유형을 효과적으로 처리할 수 있습니다. 결론적으로 환경적 측면이나 재료 회수 측면에서 "완벽한" 방식은 없지만, 각 방식은 배터리 생산의 순환성을 개선하는 데 각자의 역할을 합니다.

재활용 확대를 위한 향후 방향

배터리 재활용 산업은 높은 비용, 복잡한 회수 공정, 파편화된 수거 및 물류와 같은 과제에 직면해 있지만, 장기적인 성장 동력 덕분에 미래는 여전히 밝습니다. 기술 발전, 디지털 애플리케이션 도입, 산업 협력 강화는 배터리 재활용을 더욱 효율적이고 경제적으로 만들어 산업 지형을 혁신할 것입니다.

1. 비용 및 안전 문제를 해결하기 위한 재활용 기술 혁신

배터리 재활용은 운영 비효율성과 안전 위험부터 규제 준수 및 환경 영향에 이르기까지 여러 복잡한 과제를 안고 있습니다. 주요 문제 중 하나는 배터리 형식, 설계, 구성 및 화학적 특성이 매우 다양하고 계속 진화하고 있다는 점이며, 이는 재활용 공정을 복잡하게 만들어 전문적인 기술을 요구합니다. 이러한 복잡성과 독성 및 인화성 물질의 존재로 인해 재활용 공정은 종종 많은 에너지를 소비하며 비용이 많이 드는 안전 조치를 필요로 합니다.  

배터리 재활용을 위한 정부 자금 지원은 이러한 과제를 해결하는 데 중요한 수단입니다. 재활용 기술 혁신과 신기술은 금속 회수율을 높이고 재활용 공정을 경제적으로 실행 가능하며 지속 가능하게 만드는 데 중점을 둡니다. 예를 들어, 직접 재활용은 재료의 기능적 구조와 화학적 조성을 유지하여 에너지 및 환경 비용을 절감하는 것을 목표로 합니다. 또한 심층 공융 용매(DES) 및 미생물 기반 침출과 같은 새롭고 유망한 방법론이 초기 개발 단계에 있습니다. 이러한 기술은 자금 지원과 협력을 통해 성숙 단계에 도달하여 지속적인 비용 및 안전 문제를 극복할 수 있습니다.

2. 추적성과 효율성을 높이기 위한 디지털 도구 도입  

수동 공정은 종종 낮은 재료 회수율, 높은 비용, 잠재적인 안전 위험을 초래합니다. 또한 규제 압력으로 인해 재활용 원료 함량 및 환경 영향에 대한 엄격한 기준을 충족해야 합니다. 디지털 도구가 어떻게 도움이 될까요? 디지털 도구는 배터리 수명 주기 전반에 걸쳐 재료를 추적하고, 배터리 구성 요소의 분류 및 분해를 자동화하며, 재활용 일정을 최적화하는 데 적용될 수 있습니다. 예를 들어, 클라우드 기반 플랫폼과 블록체인 기술을 통해 기업은 수거부터 재활용, 공급망 재진입에 이르기까지 재료의 수명 주기를 추적하고 관리할 수 있습니다. 이 과정은 환경 규제 준수를 보장하고 이해관계자가 재료 회수율 및 탄소 배출량과 같은 주요 지표를 모니터링하도록 돕습니다.

3. 재활용 규모 확대를 위한 가치 사슬 전반의 협력  

배터리 재활용의 파편화된 공급망은 산업 규모를 확대하는 데 가장 큰 걸림돌 중 하나였습니다. 중국에서는 폐전기차 배터리의 25%만이 공식 경로를 통해 재활용되고 있어, 재활용 기업이 원료의 양과 질을 통제하는 데 한계가 있습니다. 이러한 일관성 부족은 운영 규모를 효과적으로 확대하는 데 방해가 됩니다.  

이 문제를 해결하는 핵심 요소는 재활용을 고려하여 설계된 배터리를 개발하는 것입니다. 이러한 새로운 개발은 분해 공정을 더욱 효율적이고 지속 가능하게 만듭니다. 결과적으로 재료 공급업체, 전기차 생산 업체, 자동차 브랜드 및 재활용 기업 간의 협력이 더욱 빈번해지고 있습니다. 전문 지식을 공유함으로써 이해관계자들은 당면한 과제를 해결하고 산업 변화에 더 빠르게 적응할 수 있습니다.  

4. 배터리 재활용 수익성 확보를 위한 전략적 경로  

배터리 재활용의 수익성은 재활용 비용, 회수된 재료의 가치, 환경적 이점이라는 세 가지 핵심 요소에 달려 있습니다. 운송 거리, 인건비, 팩 설계, 배터리 화학적 특성, 재활용 기술 선택과 같은 변수가 재활용 비용에 영향을 미칩니다. 재무적 타당성을 확보하기 위해 재활용 업체는 자동화를 통한 비용 절감, 운송 비용 최소화, 회수된 재료의 가치에 최적화된 가장 효과적인 재활용 방법을 채택하는 데 집중해야 합니다.  

이해관계자들이 더 스마트한 솔루션에 투자함에 따라, 우리는 전기차 수요 증가를 뒷받침하고 더 친환경적인 순환 경제의 길을 여는 지속 가능한 배터리 관리의 새로운 시대를 기대할 수 있습니다. 리튬이온 배터리(LIB) 재활용은 수많은 난관에 직면해 있지만, 기술 발전의 혜택도 누릴 것입니다. 산업 협력과 정부 지원 또한 중요할 것이며, LIB 재활용의 경제적, 환경적 이점이 커짐에 따라 산업도 함께 성장할 것입니다. 오늘날의 혁신은 더 스마트하고 효율적인 재활용 체인을 구축하고 있으며, 배터리 및 전기차 분야에서 지속 가능한 순환 경제를 위한 기반을 마련하고 있습니다.  

리튬이온 배터리 재활용에 대한 자세한 내용은 CAS와 Deloitte의 최근 공동 보고서를 참조하십시오.