지속 가능한 사회를 향한 리튬 이온 배터리의 재활용 및 재사용 및 덱세리얼스 보호 소자

지속 가능한 사회를 향하여

사용된 리튬 이온 배터리를 효율적으로 처리하고 그 자원을 재활용하는 것은 오늘날 지구 환경 보호에 있어 중요한 과제입니다. 본 논문에서는 다음과 같은 정의를 사용하여 리튬 이온 배터리 재사용 및 재활용 현황과 관련 노력을 살펴봅니다.

– 재활용: 배터리 분해 및 재활용
– 재사용: 배터리를 기존 형태 그대로 활용

또한, 이 기사에서는 2024년에 출시될 예정인 유럽연합(EU) 배터리 여권 시스템과 덱세리얼즈의 보호 장치에 대해서도 강조합니다.

리튬이온 배터리의 현재 상황

지속가능개발목표(SDGs) 달성을 위해 다양한 분야에서 전기자동차(EV)와 재생에너지원의 도입이 확대되면서 리튬이온 배터리 사용량이 급증하고 있습니다. 이러한 배터리의 귀중한 자원을 효율적으로 활용하기 위해 도시 채굴이 주목을 받고 있습니다. 도시 채굴은 폐배터리에서 희귀 금속을 추출하여 재활용하고, 대형 EV 배터리를 다른 용도로 재활용하는 것을 의미합니다.

하지만 많은 국가에서 폐기된 리튬 이온 배터리는 현재 매립지에 버려지고 있습니다. 일본에서는 소형 배터리 재활용 절차가 대부분 확립되어 있습니다. 하지만 2022년 기준 전 세계 재활용률은 약 5%로 여전히 낮은 수준입니다.

소형 리튬 이온 배터리 재활용

사용한 소형 리튬 이온 배터리를 재활용하려면 적절한 수거 방법이 필수적입니다. 일본의 많은 지자체에서는 리튬 이온 배터리를 다른 폐기물과 분리하여 수거하는 규칙을 제정하여 특정 수거 방법과 경로를 요구하고 있습니다.

수거된 배터리는 진공 가열로에서 처리된 후 산 침출, 용매 추출, 전기분해 과정을 거쳐 코발트와 니켈과 같은 희귀 금속을 추출하고 재활용합니다. 이러한 과정에서 가연성 전해액 및 유해 가스 발생에 대한 적절한 안전 조치를 이행하는 것이 매우 중요합니다.

그러나 리튬은 재활용 시 경제적 이점이 거의 없기 때문에 일반적으로 슬래그로 처리됩니다. 또한, 추출된 희귀 금속이 배터리 소재로 재활용되는 경우도 드물지 않습니다.

배터리 제조업체들은 양극(전류가 방전되는 양극)에 포함된 금속에 라벨을 부착하여 재활용 효율을 높이고 있습니다. 재활용 시설에서는 이 정보를 바탕으로 사용된 배터리를 종류별로 분류하여 적절한 처리를 보장합니다. 이러한 노력은 배터리 재활용 효율을 높이고 희귀 금속의 지속 가능한 사용을 위해 중요합니다.

대형 리튬 이온 배터리 재활용

전기 자동차(EV)나 고정형 저장 장치에 사용되는 대형 리튬 이온 배터리는 소형 배터리에 비해 재활용에 특히 어려움을 겪습니다. 이러한 배터리는 부피가 크고 무겁고, 제조업체와 모델에 따라 모양이 다양하며, 견고한 케이스로 설계되었습니다. 또한 감전 및 발화 위험이 높아 재활용 과정이 더욱 복잡해집니다.

연소, 산 용해, 용매 추출과 같은 재활용 방법을 기술적으로 활용하여 코발트, 니켈 및 기타 금속을 회수하는 재활용 공정에 적용할 수 있습니다. 그러나 이러한 재활용 자원의 순도와 품질을 보장하고 재활용 비용을 자원 가격보다 낮게 유지하는 데에는 어려움이 있습니다. 특히 배터리 재료로 재활용될 금속은 매우 높은 품질 기준을 충족해야 합니다.

또한, 재활용 공정 개발, 시설 투자, 그리고 공장 운영에 드는 비용은 재활용 사업의 생존 가능성에 큰 영향을 미치는 요소입니다. 코발트와 니켈 가격의 변동 또한 사업 위험을 초래합니다.

대형 리튬 이온 배터리 재활용은 지속 가능한 에너지 이용에 필수적입니다. 현재 전 세계적으로 상업적 실현 가능성을 확보하기 위해 활발하게 연구 및 탐색이 진행되고 있습니다. 기술적, 경제적 과제를 극복하는 것은 자원의 효과적인 활용을 촉진할 뿐만 아니라 지속 가능한 사회 구축에도 기여할 것입니다.

유럽의 배터리 여권 시스템

유럽연합(EU)은 2024년 배터리 패스포트 시스템(Battery Passport System)을 도입하여 배터리 수명 주기 전반에 걸쳐 정보의 투명성과 추적성을 강화할 계획입니다. 이 시스템은 EU 내에서 사용하기 위해 수입되는 배터리를 포함하여 2kWh 이상의 산업용 및 전기 자동차(EV)용 배터리에 적용됩니다. 통합 디지털 플랫폼을 통해 전체 가치 사슬에 대한 정보를 관리함으로써 원자재 채굴 및 제조부터 사용, 재활용, 재사용, 그리고 최종 폐기에 이르기까지 모든 단계에서 투명성을 보장하도록 설계되었습니다.

이 시스템은 배터리에 QR 코드를 부착하여 여권 정보에 쉽게 접근할 수 있도록 요구합니다. 이러한 라벨을 통해 소비자와 관련 사업자는 배터리에 대한 정보를 쉽게 얻을 수 있습니다.

기록해야 할 정보의 구체적인 내용은 2024년까지 정의될 기술 규칙에 명시될 예정입니다. 현재 초안 개정에서는 아래에 열거된 세부 사항을 기록할 것으로 예상합니다.

◆배터리 패스포트에 기록해야 할 정보
광산, 재료 원산지, 재료 생산자, 부품 제조업체, 셀 제조업체, 모듈 제조업체, 최종 제품 제조업체, 중량, 용도, 화학 성분(재료 비율 등), 재활용 재료 함량, ID, 유형, 모델, 제품명, 성능, 내구성, 제조 중 탄소 배출량, 유해 물질, 배터리 상태 점검, 탄소 배출 영향, 지침 적합성 선언, 이동 및 수집, 실사 관련 정보, 소유권 이력, 수명 주기 탄소 배출량, 수명 주기를 통한 환경 영향
(출처: Battery Passport(globalbattery.org))

리튬 이온 배터리 생산에 필수적인 코발트의 약 70%는 아동 노동 및 실사 관련 문제로 빈번히 어려움을 겪고 있는 콩고민주공화국에서만 공급됩니다. 일부 분석가들은 원자재 원산지 및 실사 관련 유럽 규정이 유럽 국가들이 스스로를 보호하기 위한 전략적 조치라고 주장합니다.
(출처: 배터리 패스포트: 전기자동차 시장을 선도하기 위한 유럽 전략 | Bright Innovation (brightinnovation.jp))

대용량 리튬이온 배터리 재사용

전기 자동차(EV) 시장이 전 세계적으로 확대됨에 따라, EV용 대형 리튬 이온 배터리 재활용에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 그러나 EV용 배터리는 비교적 새로운 제품이어서 재활용 방법이 확립되어 있지 않습니다. 소형 배터리에 사용되는 기존 재활용 방법은 대형 배터리에 적용 시 하네스, 회로 기판, 냉각 부품 등과의 연결로 인한 비효율성 등 기술적 어려움을 야기합니다.

이러한 재활용의 어려움으로 인해 부분 재활용과 재사용을 병행하는 것이 현실적인 방안이 될 수 있습니다. 대용량 배터리는 전기 자동차 및 기타 이동 수단 외에도 대규모 에너지 저장 및 백업 전원 공급 장치 등 다양한 용도로 재활용될 것으로 예상됩니다.

실제로 EU는 15년 이하 사용 시 전기차 배터리의 70% 이상이 재활용이 아닌 재사용될 것으로 예상합니다. 시간이 지남에 따라 성능이 저하되더라도 이러한 대용량 고성능 배터리는 여전히 효과적으로 작동할 수 있습니다. 전기차의 수명이 다하면, 설치된 배터리는 다른 전기차의 교체용, 지게차와 같은 차량용, 또는 공장이나 데이터 센터의 고정 저장 장치로 재활용될 수 있습니다. 또 다른 방법은 가정용 축전지로 재사용하는 것입니다.

그러나 장시간 사용된 배터리는 성능이 너무 떨어져 재사용이 불가능합니다. 많은 경우, 재사용된 배터리는 재활용 가능성을 평가받습니다.

예를 들어, 일본의 한 자동차 제조업체는 파트너와 협력하여 전기자동차에서 분리된 배터리 모듈을 분석하고 등급을 매기는 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 전기자동차, 고정형 저장 장치, 그리고 백업 용도로 재사용할 수 있도록 지속가능성을 보장합니다. 이렇게 분리된 배터리는 수거 후 10년에서 15년까지 사용할 수 있으며, 이는 백업용으로 사용되는 기존 납 배터리보다 훨씬 깁니다.

위에서 자세히 설명한 바와 같이, 대형 배터리의 재사용은 배터리의 효과적인 사용과 환경 영향 감소(폐기물 감소)에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.
(출처: 닛산, 전기차 배터리에 새 생명을 불어넣다 | 닛산 스토리 | 닛산 자동차 기업 정보 웹사이트(nissan-global.com))

리튬이온 배터리 재사용 시 보호장치의 필요성

덱세리얼즈(Dexerials)의 리튬 이온 배터리용 자가 제어 보호기(SCP)는 리튬 이온 배터리의 안전을 모니터링하는 배터리 관리 시스템(BMS)용 보호 장치입니다. 충전 또는 방전 중 이상 발생 시 회로를 차단하여 배터리가 안전하게 보호되도록 합니다.

SCP 회로를 물리적으로 분리하는 퓨즈 역할을 합니다. 작동 시, 차단 흔적(이력)을 남기는데, 이는 배터리에 문제가 발생했거나 위험을 초래할 위험이 있었음을 나타냅니다. 이 흔적은 사라지지 않습니다.

또 다른 일반적인 배터리 보호 장치는 전계 효과 트랜지스터(FET)로, SCP와 마찬가지로 이상을 감지하여 회로를 차단합니다. SCP 와의 주요 차이점은 FET가 회로를 전기적으로 분리하여 이상이 해결되면 회로가 복구될 수 있도록 한다는 것입니다.

배터리 팩의 온도가 비정상적으로 상승하는 상황을 생각해 보겠습니다. 이 경우 FET는 회로를 차단합니다. 회로에 전류가 더 이상 흐르지 않으면 온도는 점차 비정상 임계값 아래로 떨어집니다.

이상이 해결되면 FET는 회로를 복구합니다. 차단과 복구는 모두 FET의 정상적인 동작입니다. 셀이 손상되더라도 FET는 이상 발생의 흔적(이력)을 남기지 않습니다.

재활용 또는 재사용되기 전의 새 리튬 이온 배터리를 1세대 배터리라고 정의해 보겠습니다. 노트북, 전동 공구, 전기 자전거, 드론 등 다양한 전자 기기가 이러한 1세대 리튬 이온 배터리 팩을 사용합니다. SCP가 장착된 1세대 배터리 팩을 재사용할 경우, 구성 셀이 과충전이나 과방전과 같이 배터리를 심각하게 손상시키거나 위험을 초래할 수 있는 어떠한 조건도 겪지 않았음을 확신할 수 있습니다.

2세대 배터리는 재사용 배터리로 구성됩니다. 구성 셀의 이력(배경)은 안전 확보에 중요한 요소입니다. 예를 들어 자동차를 생각해 보세요. 안전 측면에서, 사고 및 수리 이력이 알려지지 않은 자동차에서 분리된 중요 부품을 재사용하는 것은 위험합니다. 부품을 재사용할 때는 해당 부품의 배경을 이해하는 것이 필수적입니다.

에너지 저장 시설에 사용되는 배터리 팩의 경우, 안전 확보가 최우선 과제입니다. 재사용된 리튬 이온 배터리에는 새로운 보호 장치가 장착되어야 합니다. 또한, 폐기 후 재사용 가능한 1세대 배터리에 보호 장치 사용을 장려하는 것은 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.

덱세리얼즈의 자가 제어 보호 장치(SCP)가 재활용된 리튬 이온 배터리 팩에 적용된 사례가 이미 여러 건 있습니다. 이러한 추세는 더욱 확대될 것으로 예상됩니다. 리튬 이온 배터리 재활용 공정이 확립되고 재활용 소재를 사용한 배터리가 도입됨에 따라, 안전을 보장하기 위한 보호 장치 장착이 필수적입니다.

앞으로 Dexerials는 리튬 이온 배터리의 안전성을 보장하고, 배터리 시장의 성장과 보다 광범위한 응용 분야를 지원하며, 이를 통해 풍요롭고 지속 가능한 사회를 만드는 데 전념할 것입니다.