재활용의 미학: 전기차 배터리

리튬-이온 배터리는 전기차를 비롯하여 다양한 기기에 전원을 공급하는 장치로 최첨단 기술의 산물입니다. 일상에서 배터리로 구동되는 제품의 비중이 빠르게 늘어나는 만큼 배터리의 재활용에 관한 관심도 높아지고 있습니다. 여기에는 단순히 재료와 구성요소를 다시 사용하는 것보다는 그 방식, 처리 과정에 관련된 사람들에게 미치는 영향도 포함됩니다. 어떤 점에서는 자세히 살펴볼수록 흥미롭고 의미 있는 복잡한 예술을 대하는 느낌이 들기도 합니다.

EV battery recycling.

최신 리튬-이온 배터리의 재활용 현황은 상당히 발전하여 전 세계적으로 수준 높은 조건으로 관리되고 있습니다. Polestar에서는 그중에서도 가장 엄격한 유럽연합 재활용 규정을 기준으로 배터리를 설계하고 관련 정책을 운영하고 국가에 따라서는 현지 법규보다 더 엄격한 기준을 적용합니다.

유럽연합에서는 현재 수명을 다한 배터리를 관리하는 법안을 검토하고 있습니다. 새 법령은 기존보다도 더 엄격하게 배터리를 취급하고 유럽 시장에서 유통되는 배터리의 지속가능성과 안전성이 사용 주기 전반에 걸쳐 유지되도록 관리할 예정입니다. 해당 법령은 2023년부터 시행될 것으로 예상됩니다.

이에 따라 배터리 제조와 생산, 수입, 유통은 물론 소비와 재활용에 이르는 모든 관련자에게 엄격한 규제가 적용될 것으로 보입니다. 이에 따라 추적성과 투명성, BMS(Battery Management Systems)(안전 구간에서 벗어난 조건에서 배터리 구동을 제한하는 배터리 보호 시스템) 관리의 중요성이 더욱 부각되고, 재활용 기술, 수거, 재활용된 소재 사용 등에 관련된 효율성 개발의 필요성도 높아지게 됩니다.


배터리 재활용에 관련하여 새로운 정책을 준비하는 지역은 유럽만이 아닙니다. 중국 산업부에서도 전기차 배터리 재활용 시설에 적용되는 가이드라인을 운영하고 있습니다. 2018년 발표된 가이드라인에는 생산자(자동차 제조사)의 책임과 추적성 관리 플랫폼에 관련된 내용이 포함됩니다. 이후 2021년에는 전기 구동 모빌리티의 수명 주기와 순환성, 배터리 재활용성, 생애 전 주기 추적성 관리, 재활용 네트워크 지원 확대, 추적성, 재활용 기술 등 향후 5년을 계획한 정책이 추가되었습니다.

북미 지역에서는 리튬-이온 배터리의 폐기와 재활용은 각각 연방정부, 주 정부, 지자체 수준으로 관리됩니다. 기존보다 배터리 관리 법규를 따로 제정한 국가가 늘어나기는 했지만, 리튬-이온 배터리의 재활용을 의무화하지는 않습니다. 이에 따라 배터리 폐기에 관련된 가이드라인은 주 정부나 지자체에서 정할 수 있습니다.

재활용에 앞서 가장 먼저 필요한 단계는 차량에서 배터리를 제거하는 것입니다. 제거된 배터리는 다음 단계로 진행하기 전에 안전을 위해 완전히 방전됩니다. 방전은 열전처리, 소금물 침전, 외부 회로를 사용한 단계적 방전 등 다양한 방법으로 수행할 수 있습니다. 배터리를 방전하면 잔류 전기는 버리는 것이 아니라 전력 공급망으로 보내지거나 시설 내 설비에서 사용합니다.

배터리 방전 후에는 해체가 이루어지며, 이 단계는 수작업으로 진행됩니다. 전선, 커넥터, 냉각 장치 등 다양한 배터리 구성품을 제거하고 배터리 셀을 개봉합니다. 배터리 셀은 기계적 전처리를 반복 적용하여 배터리를 조각냅니다. 조각내기 단계에서 나오는 분말은 거름 장치를 사용하여 흔히 블랙 매스라고 하는 검은색 덩어리를 골라냅니다. 블랙 매스에서는 코발트, 리튬, 망간, 니켈 같은 광물을 얻을 수 있으며, 이렇게 얻은 광물은 화학 처리 후 새 배터리 제조에 사용할 수 있습니다.

광물을 사용하는 건식제련은 배터리 전체(또는 해체된 배터리)를 1000 °C의 가열로에 넣어 이 과정에서 생성된 합금, 매트(matte), 슬래그를 가공합니다. 광물 추출에 자주 사용되는 다른 방법은 열처리로, 배터리를 100~500 °C로 가열하여 처리 과정에서 손실되는 광물이 적고 니켈, 코발트, 망간의 추출에 좀 더 유리합니다. 이 방법은 기계 전처리 전후에 모두 적용할 수 있습니다. 마지막은 일반적으로 마지막 단계에서 사용되는 습식제련입니다. 이 방법을 사용하면 산성 용액 등 다양한 용액을 추가하여 추출물의 순정도를 높일 수 있습니다.

일부 업체는 초반 조각내기 작업이나 제전(de-electrification) 작업만 수행하며, 다른 업체에서는 건식제련, 열처리 또는 습식제련을 수행합니다. 배터리 재활용 고리에 다양한 업체가 많이 보이는 것도 이런 이유입니다.

차세대 배터리 재활용 기술로 떠오르는 기술은 열처리/기계처리 조합으로 많은 업체에서 기술 도입을 검토하거나 투자하고 있습니다. 새로운 배터리 법규가 시행되면 배터리 재활용 프로세스의 투명성 유지에 필요한 문서인 배터리 여권(battery passport)이 도입될 가능성도 있습니다. 배터리 여권은 수명 주기가 끝난 배터리를 취급하는 해체/재활용 업체에서 배터리의 정확한 특성 정보를 파악할 수 있습니다. 함유 광물과 출처, 배터리 제조 장소, 재활용 지침 안내를 포함한 모든 배터리 정보를 디지털로 확인할 수 있습니다.

전기차 배터리는 수명과 비교해 비교적 새로운 시장이기 때문에 현재 재활용되는 배터리는 대부분 가정용 전자 기기에서 나옵니다. 폐기되는 전자 기기 중 제대로 수거 및 재활용되는 비중은 매우 낮은 편입니다. 이러한 기기에 포함된 배터리도 전기차 배터리와 같은 광물이 들어 있으므로 전자 기기용 배터리를 적극적으로 재활용하면 당장의 환경 보호는 물론 미래 배터리 생산에 필요한 광물 확보에도 도움이 됩니다.

개인도 폐기되는 배터리 재활용을 통해 미래의 배터리 생산에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 자동차 산업 차원에서는 기업들이 최대한 지속 가능하며 효율적인 방식으로 배터리를 재활용할 수 있도록 최선을 다해야 합니다.

배터리 재활용이 예술 작품만큼 특별한 이유는 바로 이렇게 우리 모두의 미래를 위한 노력이기 때문입니다.

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