10여 년 전, 네이처(Nature)에 발표된 논문은 "리튬이 새로운 금?"이라는 질문을 던졌습니다. 이는 리튬 이온 배터리(LIB)에 사용되는 금속의 용도와 매장량 및 수요에 대한 불확실성에 근거한 것이었습니다. 오늘날 리튬 이온 배터리 재활용 과정에서 나오는 금속이 풍부한 물질인 '블랙 매스(black mass)'가 리튬 이온 시장의 새로운 "금"이 될 수 있습니다. 전 세계 LIB 시장 규모는 총 410억 달러이며, 2030년에는 1,160억 달러 이상으로 증가할 것으로 예상됩니다.
2040년에는 전 세계에서 판매되는 모든 자동차의 58%가 전기차일 것으로 예상되며, 발생하는 총 폐기물 양은 800만 톤에 달할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 전 세계적으로 재활용되는 LIB는 약 5%에 불과한 것으로 추정되어 환경과 지구의 광물 자원에 심각한 영향을 미치고 있습니다.
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당사의 백서에서 살펴보았듯이, 이는 배터리 소재의 변동성 있는 재무적 가치, 배터리 설계 및 소재의 기술적 융합 부족(및 관련 재활용 인건비), 재활용 공장 내부의 문제 등 다양한 요인으로 인해 LIB 재활용이 제한되기 때문입니다. 재활용의 이점(소재 보안, 안전 및 환경적 이점 포함)에 대한 수익화 부족과 전 세계 대부분 지역에서 재활용 규제가 부재한 점도 한몫을 합니다.
우리는 리튬 이온 배터리 재활용이라는 과제를 해결할 준비가 되었습니까?
리튬 이온 배터리 재활용의 과제는 상당한 성장 기회를 동반합니다. 예를 들어, 2019년 전 세계 생산량에서 재활용할 수 있는 배터리 약 50만 톤으로부터 다음과 같은 원자재를 회수할 수 있습니다: 알루미늄 15,000톤, 인 35,000톤, 구리 45,000톤, 코발트 60,000톤, 리튬 75,000톤, 철 90,000톤을 회수하여 소재 보안과 상당한 경제적, 환경적 이점을 제공할 수 있습니다.
당사의 백서에서 논의한 바와 같이, 리튬 이온 배터리 재활용에 대한 관심은 빠르게 증가하고 있으며, 이는 일반적인 관심사로서 '블랙 매스'의 치솟는 인기에서 분명하게 드러납니다. CAS Content Collection™은 리튬 이온 배터리 재활용에 관한 과거 저널 및 특허 출판물에 대한 독보적인 통찰을 제공하여, 충전식 배터리의 신흥 트렌드와 일회용 소재의 재사용을 파악하고 향후 기회를 예측할 수 있게 합니다.
오늘날 어떤 리튬 이온 배터리 재활용 방법이 사용되고 있습니까?
대부분의 경우, LIB를 처리하기 위해 습식 제련법과 건식 제련법을 조합하여 사용하지만, 직접 재활용 방식도 점점 인기를 얻고 있습니다(나중에 자세히 다룹니다). 습식 제련법은 용액(주로 수용액)을 사용하여 배터리 자원에서 금속을 추출하고 분리합니다. 건식 제련법은 열을 사용하여 배터리 소재에 사용된 금속 산화물을 금속 또는 금속 화합물로 변환합니다. 직접 재활용은 재사용 또는 재생을 위해 양극재를 제거하는 방식입니다.
리튬 순환(Li-cycle) 분야의 연구 트렌드 증가
지난 10년간 전 세계 과학 출판물 규모가 꾸준히 증가하는 가운데, 리튬 순환(Li-cycle) 주제에 대한 연간 출판물 증가율(32%)이 전체 과학 출판물 증가율(연간 4%)을 훨씬 상회하는 것으로 나타나, 이 분야에 대한 관심이 급증하고 있음을 시사합니다.
이와 일관되게, 지난 10년간 LIB 재활용의 세 가지 방법을 모두 포함하는 출판물이 전반적으로 증가했으며 최근 몇 년간 크게 성장했습니다(그림 2). 중국은 저널과 특허 모두에서 압도적으로 가장 많은 출판물 수를 기록하며 선두를 달리고 있습니다(전체 출판물의 약 90%; 그림 3).
사용되는 구체적인 공정 측면에서 습식 제련은 2015년 이후 건식 제련을 크게 앞질렀으며, 고무적이게도 직접 소재 재활용 또한 최근 상당한 성장을 보였습니다(그림 2). 이전에는 연구가 덜 되었던 리튬이온 배터리(LIB) 구성 요소에 대한 연구 노력도 상당 부분 이루어졌으며(이는 보다 포괄적인 재활용 관리 관점이 부상하고 있음을 시사함), LIB 분해에 대한 연구도 진행되었습니다(그림 4). 이는 재활용 가능한 소재의 양을 극대화할 수 있다는 점에서 바람직합니다.
전 세계 배터리 재활용 용량
현재 리튬이온 배터리(LIB) 재활용 용량은 동아시아에 집중되어 있으며, 중국이 전 세계 재활용 용량의 절반 이상을 차지하고 있고 유럽이 나머지 대부분을 보유하고 있습니다(그림 5). 계획 중인 LIB 재활용 시설이 가동되면 재활용 용량은 약 25% 증가할 것이며, 신규 용량의 대부분은 북미에 집중될 예정입니다. 현재 재활용 시설의 위치는 LIB 재활용 규제의 영향과 일치하며, 향후 시설의 위치는 경제적 동기와 더 밀접한 관련이 있습니다.
전 세계 리튬이온 배터리 재활용 규제
전반적으로 리튬이온 배터리 재활용 규제는 강화되는 추세입니다. 많은 국가가 재활용 방법 연구에 자금을 지원하고 있으며, 다양한 국가에서 리튬이온 배터리 재활용 법안을 시행 중입니다. 특히 중국과 유럽연합은 LIB 재활용을 위한 포괄적인 규제 프레임워크를 갖추었거나 제정하고 있습니다. 리튬이온 배터리 재활용 관리에 대한 관심 증대와 더불어 이러한 결과는 전기차, 휴대폰 등 리튬이온 배터리 사용이 지속적으로 증가하는 미래에 매우 고무적인 신호입니다.
CAS 인사이트 보고서 읽기를 통해 리튬이온 배터리 재활용 연구의 트렌드 개요를 확인해 보세요. 전 세계 규제와 경제적 이점을 평가하고, 전 세계 LIB 재활용의 현재와 미래 상태에 대한 통찰력을 제공합니다.
