리튬 이온 배터리 재활용의 새로운 기술적 진보

리튬 이온 배터리 재활용의 새로운 발전

리튬 이온 배터리에 대한 전 세계적인 수요가 기하급수적으로 증가하고 있으며, 핵심 배터리 부품 및 원자재 공급이 수요를 따라가지 못할 것으로 예상되는 중요한 변곡점에 도달했습니다.

전 세계 전기차 시장은 리튬 이온 배터리를 기반으로 2027년까지 8,580억 달러 규모로 성장할 것으로 전망됩니다. 그러나 전 세계적으로 재활용되는 리튬 이온 배터리는 5%에 불과한 것으로 추정됩니다. 과거 리튬 이온 배터리 재활용은 원자재 가격의 변동성, 재활용 시설 부족, 그리고 규제 부재로 인해 한계가 있었습니다. 하지만 재활용 기술의 발전, 높은 성장 잠재력, 그리고 희귀 금속의 한정된 매장량으로 인해 재활용의 매력은 더욱 커졌으며, 시장 규모는 2030년까지 130억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

현재의 재활용 기술

오늘날 배터리 재활용 방법은 크게 세 가지(그림 1)가 존재하며, 습식 제련과 건식 제련을 결합한 방식이 주를 이루고 있습니다. 습식 제련과 건식 제련은 비용 효율성과 복잡성 문제로 인해 관련 연구 및 특허 출원이 기하급수적으로 증가했습니다(그림 2). 습식 제련은 주로 수용액을 사용하여 배터리 자원에서 금속을 추출하고 분리하는 방식입니다. 건식 제련은 열을 사용하여 배터리 소재에 포함된 금속 산화물을 금속 또는 금속 화합물로 변환합니다. 직접 재활용은 양극재를 제거하여 재사용하거나 재생하는 방식입니다.

직접 재활용이 가장 효과적인 이유

양극재를 직접 제거하여 재사용하거나 재생하는 방식은 에너지, 시약 및 고정 시설 비용을 절감하면서 결정 구조를 그대로 유지할 수 있어 이상적입니다. 하지만 이 방식은 더 많은 인건비가 필요하며, 우수한 배터리 재활용 조건을 갖추기 위한 높은 기준이 요구됩니다. 최근까지 리튬 이온 재활용 분야의 발전을 가로막았던 주요 과제는 배터리 설계의 비표준화와 습식 및 건식 제련을 통해 배터리를 금속 원료로 변환하는 데 드는 높은 비용이었습니다. 최근 발표된 한 논문에서는 기존 재활용 방식으로는 얻을 수 없었던 기능성 양극재를 확보하는 방법을 제시하고 있습니다.

직접 재활용을 위한 새로운 접근 방식:

최근 정량(Zheng Liang), 저우광민(Guangmin Zhou), 청후이밍(Hui-Ming Cheng) 및 동료 연구진은 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)를 통해 이러한 기술 중 하나를 공개했습니다. 요오드화 리튬(LiI)과 수산화 리튬(LiOH)을 공융 혼합물로 결합하여 각각의 염보다 낮은 온도인 200°C 미만에서 녹도록 했습니다. 그 결과, 이 혼합물은 더 낮은 온도에서도 액체 상태가 됩니다.

수리된 소재로 제조된 배터리의 용량은 완전히 복구되지 않았으나, 공융 혼합물과 함께 200°C에서 3시간 동안 가열한 후 850°C에서 2시간 동안 추가 가열하자 용량이 복구되었습니다. 특히 Co₂O₃와 MnO₂를 공융 혼합물에 첨가했을 때, 이 2단계 공정을 통해 새로 생산된 소재와 대등한 특성과 결정 구조를 가진 NMC523이 복원되었습니다.

이 접근 방식은 신규 생산보다 적은 에너지와 자원을 사용하면서도 리튬 이온 배터리 양극을 완전한 기능 상태로 수리할 수 있는 방법을 제시합니다. 방전된 배터리 소재를 더 낮은 비용으로 완전한 기능 상태로 복구할 수 있다면, 다른 고비용 기술로 생산된 금속이나 금속 산화물보다 훨씬 높은 마진으로 판매할 수 있습니다.

과제

물론 Liang 등이 개발한 이 접근 방식에도 과제는 남아 있습니다. 이 공정은 배터리를 분해한 후 다시 조립해야 합니다. 배터리 설계와 양극 조성의 복잡성 및 비표준화는 전반적인 배터리 재활용의 걸림돌입니다. 건식 제련은 다양한 종류의 배터리를 처리할 수 있지만, 직접 재활용과 습식 제련 공정은 배터리 유형별 분류와 안전한 분해 과정이 필수적입니다. 직접 재활용을 실용화하려면 배터리 조성과 설계를 명시하고 이를 배터리에 표기해야 합니다. 공통된 배터리 설계를 사용하면 분해가 더 쉬워지겠지만, 리튬 이온 배터리의 다양한 응용 분야를 고려할 때 이는 현실적으로 어려울 수 있습니다.

향후 전망

리튬 이온 배터리 수요가 핵심 금속 공급을 앞지를 것으로 예상되는 중요한 변곡점이 다가오고 있으며, 이러한 격차를 해소하는 데 재활용이 핵심적인 역할을 해야 합니다. 자원 보존, 환경 영향, 비용 효율성은 향후 혁신을 가속화하는 핵심 동력이 될 것입니다.

이번 연구가 리튬 이온 배터리 재생 및 직접 재활용을 위한 상용화 준비 단계의 기술을 제공하는 것은 아니지만, 해당 방식이 기술적으로 실현 가능하다는 점을 입증했습니다. 이 접근 방식은 기존의 수열 합성 기술 대신 공융 시스템을 사용한다는 점에서 이전의 직접 재활용 방식과 차별화됩니다. 상용화 가능한 직접 재활용 기술은 리튬 이온 배터리 부품 공급의 안정성을 높이고, 에너지 저장을 위한 액체 연료의 대안으로서 지속 가능성에 기여하며, 인류의 CO₂ 배출량을 줄이고 기후 변화를 완화하는 중요한 도구가 될 것입니다. 리튬 이온 배터리 재활용의 최신 동향에 대한 자세한 내용은 당사의 보고서에서 확인하실 수 있습니다.