전기차 배터리의 희소금속 회수 기술

2050 탄소중립을 위해 전기차와 신재생에너지 산업이 빠르게 발전하고 있다. 우리나라도 그린뉴딜 정책의 저탄소 에너지 확산기조에 따라 전기차 113만대, 수소차 20만대를 보급하는 등 친환경 자동차 사용을 확대하고 있다. 이에 따라 대용량 리튬 이차전지의 핵심 희소금속 원료 수요가 급증할 전망이다. 배터리 산업의 지속가능한 경쟁력 확보를 위해서는 폐배터리로부터의 희소금속 회수 기술발달이 매우 중요하다.

 

1. 전처리과정

전처리 과정은 폐배터리를 BP나 금속분말형태의 중간원료로 만드는 과정을 의미하며, 크게 파쇄 전처리 공정과 고온용융 전처리 공정으로 나뉜다.

 

1) 파쇄 전처리 공정

• 배터리 팩 분리, 방전, 해체, 파쇄, 선별 공정을 통해 물리적으로 회수성분을 농축해서 BP(Black Powder or Battery Powder)를 얻는 공정을 뜻한다.
• 이 공정을 통해 Co, Ni, Mn, Li, Cu, Al을 회수할 수 있다.
• 투자비와 공정비용이 낮고 적은 용량의 배터리 처리도 가능하다
• 대표적으로 성일하이텍(韓), BRUNP(中), GEM(中) 등이 이 공정을 사용한다.

 

2) 고온용융 전처리 공정(건식제련)

• 물리적 전처리 공정 없이 고온 용융로에서 금속 성분을 원상태로 환원하여 분말형태로 회수하는 공정
• 이 공정을 통해 Co, Ni, Cu를 회수할 수 있고, 나머지는 슬래그로 배출된다.
• 투자비와 공정비용이 높고 대용량 배터리 처리 시 적합하다
• 이 공정을 사용하는 기업은 UMICORE(벨기에)가 대표적이다.

 

2. 후처리 과정

후처리 과정은 파쇄전처리 혹은 고온용융 전처리 공정을 통해 회수한 분말물질을 습식제련 (Hydrometallurgy)공정을 통해 고순도 배터리 원료를 얻는 공정을 말한다. 침출, 여과(불순물 제거) 및 저장, 용매추출, 결정화와 전해추출의 과정을 거친다.

 

 

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※ 리튬이온 배터리의 구성성분

1) 배터리 팩은 셀, 케이스, BMS(Battery Management System), 냉각장치, 열관리 장치 등으로 구성됨

2) 배터리 팩에서 셀은 중량기준 약 58%를 차지, 이 셀 중 양극(40%, 양극활물질은 약 32%), 음극(25%, 음극활물질은 약 20%), 케이스(15%), 분리막(5%) 등으로 구성됨

 

Co, Ni, Mn, Li, Cu, Al이 포함된 배터리 양극재는 재활용 가능하나, BMS(플라스틱 부품)과 음극활물질(흑연)은

재활용 되지 않고 있어 자원화 연구가 필요함

 

 

 

우리나라 배터리 희소금속 회수기술의 현재와 미래

• 우리나라와 중국은 또다른 배터리 제조국인 일본과 달리 재활용 상용공장을 운용하고 있으며, 제조 스크랩을 재활용할 수 있어 일찍이 희소금속 회수 기술이 발달하는 데에 유리했다.
• 현재 우리나라는 중국처럼 파쇄 전처리 기술을 보유하고 있으며, 원료 회수 수준이 높은 성숙단계라고 볼 수 있다
• 벨기에의 UMICORE가 가진 건식 전처리 기술은 우리나라 일부 기업(영풍, 고려아연)에서 연구단계까지 성공한 상태임

 

• 전처리과정을 통해 중간원료를 녹인 결과물을 분리하여 화합물이나 메탈로 회수하지 않고, 녹인 용액에서 바로 전구체를 만드는 기술을 개발 중이다
• 향후 보다 효율적이고 친환경적인 재활용 기술개발을 통해 대용량 리튬이온 배터리의 완전 순환형 공정이 확립되면, 제조 원가 경쟁력을 높일 뿐 아니라 안정적인 원료확보가 가능해질 것이다