<관련 포스팅>
[2차 전지 순환경제] 글로벌 폐배터리 재활용 시장 및 산업, 정책 분석 (배터리 리사이클링 산업)
[2차 전지 순환경제] 폐배터리 재활용 산업 밸류체인, 비즈니스 모델 및 관련 기업 분석
[2차전지 시장분석] 글로벌 2차전지 밸류체인 & 서플라이체인 총정리 (2차전지 공정장비, 소재 관련주)
1. 폐배터리 리사이클링 산업과 밸류체인
배터리 순환경제란 폐배터리 내에서 배터리 제조에 핵심 원자재인 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등의 금속을 추출해서 새로운 배터리를 제조하는데 재활용하거나, 배터리 팩 일부를 개조하거나 성능이 저하된 배터리를 ESS 등의 다른 용도로 재사용하는 등 배터리의 지속 가능을 추구하는 친환경 경제 모델을 말합니다.
최근 전기차 보급률이 폭발적으로 증가하면서 배터리 양이 늘어나고, 배터리 원자재 가격의 급등과 원자재의 공급망 리스크 등으로 인해 각국 및 각 기업들이 배터리 리사이클링에 많은 관심을 갖고 산업의 선점에 힘쓰고 있습니다.
전기차 배터리는 수명이 약 5~10년 정도로 이후에는 성능이 떨어져 주행거리 감소, 폭발 위험, 충전 속도 저하 등의 문제가 발생하기 때문에 교체 또는 폐기가 필요합니다.
따라서 본격적으로 전기차 보급이 시작된 2020년 기준으로 약 5년 뒤인 2025년부터 폐배터리 수량이 크게 발생할 것으로 보고, 이를 재활용하기 위한 기술 개발 및 시장 선점 등의 필요성이 부각되고 있습니다.
이런 배터리 리사이클링 방법에는 크게 폐배터리 재활용과 재사용 방법이 있습니다.
- 폐배터리 재활용 : 폐배터리를 셀 단위로 분해한 후 리튬, 니켈, 코발트, 망간, 구리, 알루미늄 등 배터리의 핵심 원자재 금속을 추출해 새로운 배터리 제조에 활용하는 방법
- 폐배터리 재사용 : 성능이 약 60~70% 정도로 저하된 폐배터리를 ESS (에너지 저장장치) 혹은 UPS (무정전 전원장치) 등으로 재사용하는 방법
폐배터리가 본격적으로 발생하기 시작하는 2025년까지는 배터리 제조과정에서 발생하는 셀스크럽이 배터리 재활용에 주로 사용될 것으로 보고 있으며, 2026년부터 본격적으로 폐배터리 리사이클링 산업의 개화가 시작될 것으로 보고 있습니다.
폐배터리 리사이클링의 경우 특히 삼원계 폐배터리의 재활용이 가장 경제적 가치가 큰 것으로 전망되고 있습니다.
현재 가격 기준으로, 재료비 비중이 약 70%에 달하는 삼원계 배터리(NCM811) 100kWh에 들어있는 양극재에서 탄산리튬 59.4kg, 코발트 9.4kg, 니켈 75kg, 망간 8.8kg 정도 회수 가능합니다.
각 금속 가격이 탄산리튬 $7만, 코발트 $5만, 니켈 $2.2만, 전해망간 $1.6만으로 가정했을 때, NCM811 배터리에는 $6,419 가치의 유가금속이 들어있기 때문에, 원화 환율을 고려했을 때 100kWh급 삼원계 폐배터리 1개에 포함되어 있는 유가금속의 잠재가치는 대략 800~1,000만원 정도로 추정되고 있습니다. (kWh 당 약 $42)
반면 LFP 배터리의 경우 재활용으로 얻을 수 있는 유가 금속의 가치는 kWh 당 약 $15로 삼원계 배터리의 약 30% 수준 입니다.
2. 폐배터리 방전, 분해, 검사 공정
폐배터리 리사이클링 공정은 공통적으로 폐배터리를 수거 하고 진단하는 전공정을 거치며 이후 배터리 상태에 따라 재사용 또는 재활용 공정을 진행합니다.
사용 후 수거된 폐배터리는 합선, 화재, 폭발 등의 위험을 제거하기 위해 방전 공정을 거친 후 배터리의 소재별, 규격별로 분류하고 모듈 혹은 셀 단위로 분해합니다.
이때 방전기술에는 염수방전, 전자부하방전, 건식회생방전 등이 있습니다.
- 염수방전 :
전해질 수조에 배터리를 넣어 전해질에 의해 양·음극 간 전기가 흘러 방전하는 방식.
방전 속도가 빠르고, 대량의 배터리를 한꺼번에 방전시킬 수 있는 장점이 있으나, 폐수가 발생하며 재사용 배터리에는 사용할 수 없다는 단점 존재. - 전자부하방전 :
대용량의 배터리를 빠르게 방전시킬 수 없다.
그러나 재사용 배터리에 사용 가능. - 건식회생방전 :
대용량의 배터리를 빠르게 방전시킬 수 없다.
그러나 재사용 배터리에 사용 가능하며, 잔류에너지를 활용해 공정 원가를 절감하고 환경 친화적이다는 장점이 있음.
분해과정에서 나온 플라스틱, 금속 외장재 (알루미늄, 철 등), 구리 등을 재활용 할 수 있습니다.
분해 과정 이후 배터리의 잔존 수명, 성능, 상태 등을 종합적으로 판단해 재사용 또는 재활용 공정으로 넘어갑니다.
3. 폐배터리 재사용 공정
폐배터리의 재사용의 경우 전기차에서 나온 배터리 팩 및 모듈들을 분해한 후, 배터리 성능 및 잔존 용량, 안전성 검사 등을 수행하여 성능에 따라 전력 보조장치 또는 전력 저장장치 등으로 재사용하게 됩니다.
재사용 공정은 크게 분해 및 선별, 검사, 복구, 재편성, 검수 및 인증의 과정을 거칩니다.
- 분해&선별 공정 : 배터리 팩 및 모듈을 모듈 또는 셀 단위로 분해한 후 성능, 용량, 규격에 따라 선별
- 검사 공정 : 배터리의 충방전 용량 등 배터리 상태에 대한 정밀 검사
재사용되는 배터리 성능이 60~80%인 경우, 소형 EV, 골프카트, 무인 로봇 등의 배터리나 발전소, 충전소 등의 전력 보조장치 (UPS 등) 등으로 사용되며, 배터리 성능이 20~60%인 경우 가정용 ESS로 활용됩니다.
폐배터리 재사용의 경우 기술적 측면 보다는 폐배터리 회수율과 비즈니스 모델 수립이 더 중요합니다.
폐배터리 조달처와 각 국가별 상이한 소유권 확보가 필요하며, 관리 및 보관을 위한 인프라 구축이 필요할 것으로 보입니다.
따라서 배터리를 체계적이고 대규모로 회수, 관리 및 보관을 할 수 있는 비즈니스 모델이 필요합니다.
이러한 폐배터리 재사용 산업의 특성상 재사용 시장은 주로 ▲완성차 기업, ▲배터리셀 기업, ▲주유소 및 전력 공급 등의 에너지 기업이 주도할 것으로 전망되고 있습니다.
▲완성차 기업의 경우 자체 리콜 물량, 정비, 교환, 폐차 등을 통해 배터리 회수가 용이하며,
▲배터리셀 기업의 경우 자체 생산 중 발생하는 셀 스크럽 및 불량품에 대한 확보 및 자사 제품에 대한 분해, 분석, 재사용 공정 등이 용이할 것으로 판단됩니다.
▲에너지 기업의 경우 위의 완성차 및 배터리셀 기업과의 협업을 통해 ESS, UPS 등을 제조, 사용 및 판매하는 등의 비즈니스 모델을 구축하고 있습니다.
폐배터리 재사용의 기술적 측면의 경우 주로 ▲폐배터리 진단기술, ▲배터리팩 분리기술, ▲재사용 배터리의 최적 운영 기술, ▲재사용 전지를 사용한 배터리 팩 제조 기술 등이 있습니다.
4. 폐배터리 재활용 공정
폐배터리 재활용의 경우 잔존 수명이 20~60% 이하의 재사용이 불가능한 수준의 배터리 리튬, 니켈, 코발트 등 배터리 핵심 원재료이자 희유 금속을 추출하여 새로운 배터리 제조에 사용하는 방식입니다.
재활용 공정은 배터리 방전 공정 이후에 파쇄·분쇄·선별 등의 전처리 (물리적) 공정과 습식 또는 건식 공정 등의 후처리 공정으로 나뉘어 진행됩니다.
■ 전처리공정
- 열처리 공정 :
재활용 수율을 높이기 위해 배터리의 바인더와 양극 및 음극 활물질을 분리하는 공정.
방전된 배터리 셀들을 NMP 등의 유기용매에 넣어 100~200℃의 열처리를 하여 분리하며, 최근에는 분리 효율을 높이기 위해 초음파를 사용하는 등의 기술이 적용 중 입니다. - 파쇄·분쇄 공정 :
배터리 Cell을 파쇄해 Black Powder (블랙파우더, 리튬, 니켈 등의 금속 혼합 가루)로 만드는 공정으로, ▲건식 파쇄, ▲습식 파쇄 공정 등이 있습니다.
습식 파쇄 공정이 파우더 입자 크기를 더 작게 만들 수 있으나, 소재의 유실 및 공정 난이도 상승 등의 단점이 있어 주로 건식 파쇄 공정이 사용됩니다. - 선별 공정 :
파쇄된 소재를 입자 크기, 밀도, 무게, 자기적 특성 등 물리적인 특성에 따라 분리하는 공정으로, 철, 구리, 알루미늄 등의 중간재 메탈이 분리됩니다. (자성 선별, 비중 선별)
■ 후처리공정
전처리 공정에서 얻은 블랙파우더를 제련해 니켈, 코발트 등 고가의 금속들을 추출하는 공정으로, 크게 건식 공정과 습식 공정으로 나뉩니다.
건식공정도 이후 습식공정을 거쳐야하며, 후처리 공정을 반복 수행하여 높은 순도(99.9%)의 금속을 정제하게 됩니다.
기술적 난이도가 높은 공정으로, 습식공정의 황산용액(H2SO4) 농도 조절과 전해정련을 통한 회수율을 높이는 것이 핵심 기술입니다.
- 건식 공정 (건식 제련) :
고온의 열로 블랙파우더 또는 배터리 셀에 포함된 금속을 녹이고 환원시키는 공정으로, 합금매트(니켈, 코발트, 구리 등의 메탈 혼합물) 및 슬래그(리튬, 알루미늄, 망간 혼합물)로 구분되어 추출됩니다.
건식 공정은 1차로 150~500℃의 열로 전해액, 유기용매 등을 제거하고, 2차로 1,000℃ 이상의 고온과 환원제를 첨가해 녹는점과 밀도차에 따라 하부 합금층과 상부 슬래그 층으로 구분되어 각각 추출하게 됩니다.
하부 합금층 (합금매트) 에서는 니켈, 코발트, 구리가 녹는점에 따라 추출을 하며, 상부 슬래그 층에는 분자 구조가 안정적이어서 환원되지 않는 리튬, 알루미늄, 망간 등이 남게 됩니다.
상부 슬래그는 포집 처리 및 습식 공정의 황산 처리를 통해 금속 일부를 추출해 재활용 할 수 있습니다.
건식 공정은 대량 처리가 가능하고, 공정이 비교적 단순하여 난이도가 낮으며, 다양한 금속을 추출할 수 있다는 장점이 있어 많은 기업들이 사용하고 있는 방법 입니다.
그러나 고온 용융로 가동이 필요해 시설 투자 및 에너지 사용 비용이 많이 들며, 이산화탄소가 많이 발생한다는 단점이 있습니다.
또한 공정 특성상 리튬 등의 고가 금속의 회수율이 낮아 수익성이 낮습니다.
- 습식 공정 (습식 제련) :
습식 공정은 전처리 공정에서 얻은 블랙파우더나 건식 공정 이후 발생한 물질을 유기·무기 용매, 산·염기 등의 화학적 처리를 통해 금속을 침출시켜 추출하는 방식입니다.
건식 공정과 달리 낮은 온도에서 진행하기 때문에 공정 시간이 오래걸리며 대량의 제련이 불가하다는 단점이 있으나 건식 공정에서 추출하기 어려운 리튬, 망간 등의 고가 메탈을 추출할 수 있습니다.
건식 공정 대비 고가의 메탈 회수 가능 및 회수율이 높으며, 시설 투자비, 에너지 사용량이 낮아 수익성이 더 높습니다.
따라서 습식 공정 중심으로 산업이 발전하고 있는 추세입니다.
습식 공정은 크게 침출 공정과 분리 및 회수(결정화) 공정으로 구분됩니다.
침출공정은 무기산(황산·질산), 유기산(아세트산·시트르산), 염기(수산화나트륨) 처리 방식이 있으며, 금속의 산화를 유발하고 이온상태로 침출시키는 공정입니다.
화학 물질별로 침출 효율이 달라지며 최근 선택적 침출 공정을 적용해 타겟 메탈별 회수율을 높이고 공정 과정을 간소화하는 방법을 사용하고 있습니다.
침출공정에서 메탈의 순도를 높이기 위해서는 공정 단계별 적용하는 화학물질의 농도, pH, 온도 등의 조건을 정밀하게조절하는 것과 불순물을 제거하는 것이 중요합니다.
분리 및 회수 공정은 침출시킨 용액에서 금속을 결정화시켜 각 금속을 분리하고 높은 순도로 회수하는 공정입니다.
용매 추출 방식과 화학적 침전 방식으로 구분되며 대부분 두 방식을 혼합해서 사용합니다.
분리 및 회수 공정 또한 각 반응 조건을 잘 컨트롤 하는 것이 중요합니다.
폐배터리 재활용 공정 전체 흐름과 각 제련 방식에 따른 추출 금속을 다시 정리하면 아래 그림과 같습니다.
- 폐배터리 재활용 공정의 기술 개발 방향
건식 공정의 경우 기존 Direct Roasting 방식을 개선해 낮은 메탈 회수율을 높이는 연구가 진행 중이며, 용융로 내부를 질소 가스 등으로 채워 반응성을 개선하는 Atmosphere-Assisted Roasting 공정, 황산·질산 등을 첨가해 리튬 회수율을 개선한 Additive-Assisted Roasting 공정 등이 연구개발 진행 중 입니다.
습식 공정의 경우 기존 방식 대비 효율이 높은 전기화학적 추출 방식을 적용하기 위해 관련 기술 개발이 진행되고 있습니다.
'산업 및 기업 분석 > 2차 전지' 카테고리의 다른 글
| [2차전지 순환경제] 미래의 금광 : 폐배터리 재활용 관련주 사업 동향, 핵심 투자 포인트 - 1 (0) | 2023.06.23 |
|---|---|
| [2차 전지 순환경제] 폐배터리 재활용 산업 밸류체인, 비즈니스 모델 및 관련 기업 분석 (0) | 2023.06.23 |
| [2차 전지 순환경제] 글로벌 폐배터리 재활용 시장 및 산업, 정책 분석 (배터리 리사이클링 산업) (0) | 2023.03.26 |
| [2차 전지 시장분석] 글로벌 2차전지 밸류체인 & 서플라이체인 총정리 (2차전지 공정 장비, 소재 관련주) (2) | 2023.03.02 |
| [2차 전지 시장분석] 글로벌 CAPA 전쟁 (이차전지 미국, 유럽 공장과 서플라이체인 분석) (0) | 2023.02.28 |
댓글