쏟아지는 '리튬 배터리' 쓰레기… 재활용 난제 해결책은

전기차용 배터리나 재생에너지 저장에는 리튬 이온 배터리가 사용된다

전기자동차에 대한 기대가 커지고 재생에너지 활용이 확대대고 있다. 이로 인해 '사용한 리튬 배터리는 어떻게 할 것인가?'라는 커다란 과제도 함께 부상하고 있다.

전기차가 점점 내연기관을 대체하면서, 익숙했던 세상에 많은 변화가 싹트고 있다. 석유 냄새가 나는 주유소는 전기 배터리 충전소로 대체될 것이다. 언젠가는 각지에 흩어져 있는 화석연료 발전소가 재생에너지 발전소로 개조돼, 도시에 전력을 공급할 수도 있을 것이다.

전기화된 미래는 생각보다 훨씬 가까이 와 있다. 제너럴모터스는 화석 연료 자동차 판매를 2035년에 중단하겠다고 올해 초 발표했다. 아우디는 2033년까지 화석 연료 자동차 생산을 중단할 계획이고, 다른 주요 자동차 기업들도 그를 따르고 있다.

'블룸버그NEF'에 따르면 2040년에 이르면 전기차는 전 세계 승용차 판매량의 3분의 2를 차지할 전망이다. 또한 배터리 저장 기술의 발전으로 전 세계 그리드 전력 시스템도 빠르게 성장 중이다.

이러한 양상은 에너지와 교통의 지속가능하고 이상적인 미래상이다. 하지만 한 가지 커다란 문제가 있다. 전기차용 배터리나 재생에너지 저장에는 리튬 이온 배터리가 사용된다. 그런데 리튬 배터리는 재활용이 어렵다.

기존의 납 배터리 재활용 방식이 리튬 배터리에는 안 맞기 때문이다. 보통 리튬 배터리는 더 크고 무겁고 훨씬 복잡하다. 잘못 분해하면, 위험한 상황이 벌어지기도 한다.

일반적으로 배터리 재활용 공장에선 배터리를 분쇄해 가루로 만든다. 그리고 그 가루를 녹이거나 산성 물질로 용해한다. 하지만 리튬 배터리는 조심스럽게 분쇄하지 않으면 폭발할 수 있는 여러 가지 물질이 들어 있다. 게다가 리튬 배터리는 고장나면, 재활용이 어려워진다.

영국 잉글랜드 레스터 대학의 물리 화학자인 앤드류 애보트는 "단순히 모든 것을 잘게 부수고 복잡한 혼합물을 걸러내는 기존 방식은 비용은 많이 들고 결과물의 가치는 낮다"고 말했다. 결과적으로 새 배터리를 만들기 위해 리튬을 채굴하는 것보다, 재활용할 때 더 큰 비용이 드는 것이다. 이처럼 뾰족한 방법이 없기에 전 세계 리튬 배터리 중 약 5%만 재활용되고 있다. 리튬 배터리 대부분이 사용 후 쓰레기가 된다는 뜻이다.

하지만 전기차 수요가 늘어나리라는 전망과 함께, 배터리 및 자동차 산업 전반에서 리튬 배터리 재활용하고자 하는 추진력이 힘을 받고 있다.

리튬을 추출하고 가공하는 데는 막대한 양의 물과 에너지가 필요하며, 해당 시설의 인근 환경에도 영향을 끼친다

리튬 배터리 재활용이 필요한 이유에는 환경적인 부담도 있다. 리튬 배터리에 들어가는 금속을 채굴하려면 막대한 자원이 필요하다. 리튬 1톤을 채굴하는 데, 필요한 물이 50만 갤런(약 227만3000리터)이다. 칠레 아타카마 소금 호수에서는 리튬 채굴이 자연보전 지구 내에 초목 감소와 낮기온 상승, 가뭄 증가에 영향을 미쳤다. 전기차가 활용되는 기간에는 CO2 배출을 줄이는 데 기여하더라도, 전기차 배터리는 커다란 환경 발자국을 태생적으로 갖고 있는 것이다.

하지만 10년 정도 사용하다 방전된 엄청난 양의 리튬 배터리를 효율적으로 재활용할 수 있다면, 에너지 소비를 모두 보충하는 데 도움이 될 것이다. 이에 몇몇 연구소가 보다 효율적인 리튬 배터리 재활용 방법을 연구하며, 치솟는 리튬 배터리 수요를 충족시킬 만한 표준화되고 친환경적인 재활용 법을 만들어내려 하고 있다.

미국 샌디에이고 캘리포니아 대학의 에너지 기술 교수 셜리 멍은 "리튬과 코발트, 니켈을 채굴하고 정제해 배터리로 만드는 데는 많은 전기와 노력이 들어가기에 사용주기를 순환시킬 방법을 찾아야 한다"며 "더 이상 배터리를 일회용으로 취급할 순 없다"고 말했다.

리튬 배터리 재활용 방법

리튬 배터리 셀은 리튬과 코발트, 니켈, 망간, 철 등의 혼합물로 만들어진 금속 음극을 가지고 있다. 이 부분은 전기화학 반응에서 전자를 끌어모으는 역할을 한다. 이 셀 안에는 전자를 외부 회로로 방출하는 양극도 있다. 이 부분은 흑연으로 만들어진다. 이와 함께 분리기, 음극과 양극 사이에서 전자를 전달하는 매개체인 전해질이 셀의 구성 요소다.

전류는 전자가 양극에서 음극으로 이동하면서 형성된다. 배터리에서 가장 가치 있는 부분은 음극에 있는 금속으로, 화학자들은 리튬 배터리를 분해할 때 이 부분을 보존하고 재단장하려 한다.

멍은 리튬 배터리를 많은 층을 가진 책꽂이처럼 생각해보라고 말한다. 리튬 이온은 각각의 층 사이로 빠르게 끼어들어 가다, 꼭대기 층에 도착하면 다시 순환된다. '인터칼레이션(intercalation)'이라고 불리는 과정이다. 시간이 지나면 각 층의 막이 자연스레 부서지고 무너지기 시작한다. 배터리의 구조와 구성 물질에서 나타나는 일종의 분해 현상이다.

멍은 "열이나 화학 처리를 통해 각 층을 다시 만들 수 있다"고 말했다. "이렇게 재활용되고 개조된 재료들을 (리튬 배터리) 공장으로 보내 새로운 배터리로 조립할 수 있습니다."

리튬 배터리는 많은 부분을 세심하게 조립해 만들기에, 납 배터리에 비해 내부가 더 복잡하다

리튬 배터리 재활용 방법을 개선해 배터리 구성품을 재사용할 수 있게 되면 기존 리튬 배터리는 새로운 가치를 갖게 된다. 과학자들은 음극이나 양극 같은 리튬 배터리의 가장 중요한 부분에 두 번째 생명을 불어넣을 수 있기에, 멍이 말하는 직접적인 재활용 과정을 지지하고 있다. 이러한 방식은 에너지와 폐기물, 제조비용을 크게 절감시킬 수 있다.

하지만 현재 리튬 배터리 분해는 실험실에서 거의 수작업으로 진행된다. 직접적인 재활용이 보편화되려면 변화가 필요하다. 애보트는 "앞으로는 더 많은 분해 기술이 필요할 것"이라고 말했다. "배터리를 로봇으로 조립한다면, 분해 역시 마찬가지로 로봇을 통해 진행되는 게 맞죠."

영국 패러데이 연구소의 애보트 연구팀은 리튬 배터리의 재활용을 연구하는 프로젝트의 일환으로 로봇을 이용한 리튬 배터리 분해를 연구 중이다. 애보트는 연구팀이 "치과의사가 치아를 청소할 때 사용하는 것처럼" 초음파 탐침을 사용해 양극과 음극의 직접적인 재활용을 달성할 수 있는 방법을 찾아냈다고 말했다. "표면에 초음파를 집중시켜 작은 기포를 만들고 이를 통해 표면 코팅을 파괴하는 방식입니다." 이 과정은 배터리 부품을 파쇄해 복구가 어려워지는 방식과 대비된다.

애버트 연구팀에 따르면, 초음파를 이용한 재활용 방식은 기존 습식 제련(적당한 용매로 녹인 뒤 원하는 금속을 얻는 방식) 방식보다 같은 기간에 100배 많은 물질 처리가 가능하다. 그는 비용도 새 배터리 제작에 비해 절반도 안 든다고 말했다.

애보트는 이 과정이 쉽게 확장될 수 있을 뿐만 아니라, 보다 큰 그리드 기반 배터리에도 쓰일 수 있다고 보고 있다. 배터리 셀 구조는 비슷하고, 셀의 수가 더 많을 뿐이기 때문이다.

하지만 연구팀은 이미 케이스가 없어 부품을 분리하기 쉬운 일부에만 이 방법을 적용하고 있다. 다만 로봇을 이용한 해체 실험은 지속적으로 늘고 있다. 애보트는 "우리는 현재 전체 전극에서 작동하는 시범 사례를 확보했고, 향후 18개월 안에 생산 시설에서 작동하는 자동화 공정을 선보일 수 있기를 희망한다"고 말했다.

분해 가능한 배터리

일부 과학자들은 친환경적인 방법으로 생산되고 분해될 수 있는 배터리가 리튬 배터리의 대안이라고 주장한다. 조디 러켄하우스 미국 텍사스 A&M대 화학공학부 교수는 유기물로 만들어졌고 의도적으로 분해 가능한 배터리를 연구해왔다.

러켄하우스는 "오늘날 많은 배터리들이 에너지와 인건비 때문에 재활용되지 않고 있다"고 말했다. "원할 때 배터리가 분해된다면 재활용이 단순해지거나 재활용 장벽이 낮아질 수 있습니다. 이렇게 분해되고 남은 부분을 새로운 배터리로 만들어 재료의 수명을 이어갈 수 있는 것이죠."

리튬 전지는 분해를 한다고 해도 남는 폐기물이 있다. 때문에 루켄하우스의 팀이 연구하고 있는 것처럼 불필요한 부분이 분해돼 사라지는 배터리가 더 지속 가능한 전력원이 될 수 있다.

유기물을 사용해 폐기 시 문제가 되지 않는 배터리(ORBs)는 2000년대에 나왔다. 전자를 저장하고 방출하는 데 유기물을 활용하는 배터리다. 러켄하우스는 "ORBs는 전자나 에너지를 저장하고 방출하는 데 쓰이는 전극 역할을 하는 두 개의 전극 (물질)을 가지고 있다"고 설명했다.

연구팀은 ORBs를 아미노산과 다른 부산물로 분해하기 위해 산을 사용하는데, 부품이 제대로 분해되려면 조건이 맞아야 한다. 러켄하우스는 "열이 가해졌을 때 산이 효과를 발휘한다는 것을 발견했다"고 말했다.

하지만 이 분해 가능한 배터리에는 많은 난제가 있다. 만드는 데 들어가는 재료들은 비싸고, 아직 전기차나 전력망 등에 필요한 전력량을 제공할 수 있는 수준에는 이르지 못했다. 하지만 아마도 가장 큰 과제는 이미 보편화된 리튬 배터리와 경쟁하는 것이다.

앞으로 수십 년간 전기차 수요가 급증함에 따라, 배터리 재활용 방법에 대한 수요도 증가할 것이다

과학자들이 리튬 배터리의 직접적인 재활용을 위해 추진 중인 다음 단계는 배터리 제조업체 및 재활용 공장과 협력해 제조에서 분해까지의 과정을 간소화하는 것이다.

멍은 "모든 배터리 셀 제조업체들이 배터리를 바코드화하도록 장려하고 있다"며 "이를 통하면 로봇 AI 기술로 배터리를 쉽게 분류할 수 있다"고 말했다. "이를 위해서는 모든 분야가 서로 협력해야 합니다."

리튬 배터리는 노트북에서 자동차, 전력망에 이르기까지 다양한 기기에 전원을 공급하기 위해 사용된다. 화학적인 구성은 용도에 따라 다르며 때로는 그 차이가 상당하다. 재활용 방식에는 이러한 점도 반영돼야 한다. 과학자들은 배터리 재활용 공장의 효율적 공정을 위해서는 재활용을 위해 서로 다른 플라스틱을 분류하는 것처럼 다양한 리튬 배터리를 분리하는 것이 필요하다고 말한다.

비록 힘겹게 한 걸음 한 걸음을 내딛고 있지만, 분명 지속가능한 배터리들은 느리지만 하나씩 모습을 드러내고 있다. 애보트는 "이미 조립과 분해가 용이한 제품이 시장에 나오고 있다"며 "이러한 것들이 향후 배터리 개발에서 중요한 주제가 될 가능성이 높다"고 말했다.

생산 측면에서는 배터리와 자동차 제조업체들이 리튬 배터리를 만드는 데 필요한 재료들을 줄이는 작업을 하고 있다. 이는 채굴 중 에너지 소비와 배터리 수명이 다했을 때 발생하는 폐기물을 줄일 수 있기 때문이다.

전기차 제조업체들 또한 다양한 방법으로 배터리를 재사용하거나 수명이 다한 배터리를 새로운 용도로 사용하기 시작했다. 예를 들어 닛산은 낡은 자동차의 배터리를 새로 단장해, 공장으로 부품을 나르는 자동 주행 차량에 사용한다.

눈 앞에 있는 과제

이미 자동차 산업 전반에서 기업들은 리튬 배터리의 지속 가능성을 높이기 위해 수십억달러를 지출하고 있다. 중국은 현재 가장 큰 배터리 생산국이며, 재활용에 분야에서도 앞서 있다.

지금까지는 중국이 리튬 배터리를 가장 많이 생산하고 있으며 재활용 능력도 다른 생산국보다 높다

다양한 종류의 리튬 배터리 분류를 포함해 표준화된 방법을 널리 채택하는 것은 리튬 배터리 재활용에 커다란 진전이 될 것이다. 인공지능 기술을 사용해 음극과 같은 가장 유용한 부분을 재단장하는 것은 리튬 배터리 부품 공급이 적은 국가들로 하여금 중국에 너무 의존하지 않게끔 도와줄 것이다.

리튬 배터리에 필적할 수 있는 새로운 배터리를 개발하는 것 또한 건전한 경쟁을 통해 산업을 뒤흔들 것이다. 멍은 "배터리 저장능력, 특히 그리드 스토리지에 대한 방법이 다양화되면 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것"이라고 말했다.

제조 비용이 저렴하고 수명이 다하면 분리하기 쉬운, 덜 복잡하면서 안전한 배터리를 만드는 것이 현재 전기차의 지속가능성 문제에 대한 궁극적인 해답이다. 그러나 이러한 배터리가 등장하기 전까지는 리튬 배터리 재활용을 표준화하는 것이 중요하다.

아마 2025년쯤 수백만 개의 전기차 배터리가 초기 수명을 다하게 된다. 그 때는 간소화된 재활용 과정이 전 세계 경제를 위해 보다 긴요한 일이 되고, 이에 대한 답이 나올 수 있다. 그래서 아마도 전기차가 주요한 교통수단이 될 때쯤에는 배터리가 제2의 삶을 얻을 수 있는 기회가 마련될 것이다.

쏟아지는 '리튬 배터리' 쓰레기… 재활용 난제 해결책은 - BBC News 코리아

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