배터리 리사이클링 산업

Summary

- 기존 배터리 금속 회수 기술에는 리튬 손실이 많다는 경제적 이슈가 있음

- 그러나 SK이노베이션이 밝힌 BMR 기술을 통해 경제성 문제가 해결 가능해짐

- 대표적인 배터리 리사이클링 업체 Li-Cycle의 3분기 실적을 통해 본 업계의 미래

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© unsplash

 

 

｜ 배터리 재활용 및 금속 회수 기술

 

자료: SK이노베이션

 

배터리 리사이클 기술의 현재

 배터리 금속 회수 기술은 이미 완성되어 있으며, 전처리와 추출 기술로 나눠진다. 금속 회수 기술 분야는 건식, 습식, 건/습식 조합 기술 등으로 세분화되며, 평균 10~15일 소요된다. 두 분야 공통적으로 구리, 니켈, 코발트가 회수 물질이다.

전처리는 추출을 용이하게 하기 위해 해체하는 과정이다. 건식 열처리, 파쇄·분쇄, 농축 기술 등으로 구성된다. Cathode나 Cell을 분리 후 binder를 약화하기 위해 열처리 및 부수고 채로 치는 과정을 거치면 블랙 파우더가 생성된다. 해체 직후 고온으로 통째로 녹여서 Alloy화하는 방법도 있다. (건식 공정으로 초기 비용이 많이 들지만 리튬이 안 들어가는 데다 많은 양을 생산하는 데 좋다.)

 

추출 공정의 경우 강한 산을 넣어서 녹이는 것을 Leaching이라고 한다. 망간, 코발트, 니켈 순으로 추출을 진행한다. 맨 마지막에 불순도가 높은 니켈이 나오는데 이는 회수 과정이 쉽지 않다. 타 금속과의 순서도 바꿀 수 없다.

 

자료: SK이노베이션

 

습식 공정의 경우, 맨 마지막까지 남은 리튬의 농도가 적은데다 용해도가 낮은 탄산리튬 형태의 회수가 주로 이루어지다 보니 경제성이 낮다. 따라서 인산 리튬 형태로 회수하는 방식으로 회수율 증가를 높이고 있다.

건식 공정의 경우, 1300도 이상의 고온에서 리튬은 상당히 기화되어 손실된다. 남은 리튬도 건축자재로밖에 사용하지 못한다.

 

자료: SK이노베이션

 

 

경제성 문제 해결한 BMR 기술 SK이노베이션이 최근에 밝힌 Green Story Day에 따르면, 폐배터리가 들어오면 습식공정 대신 블랙 파우더에 수소를 불어넣어 환원이라는 공정을 거친다. 기존 정유공정에서 활용한 FCC 공정(정유공정 중 전환 공정으로 촉매를 활용한 공정)을 응용한 것으로, 발열과 반응 속도를 제어한다. 물에 굉장히 잘 녹아서 환원 후 물로 닦아주면 양극재의 리튬이 대부분 수산화 리튬으로 전환된다.

 

자료: SK이노베이션

 

BMR 기술은 수소를 이용하고 있고, 물을 통해 수산화 리튬을 직접 회수할 수 있으며, 광산이나 염호 대비 적은 에너지를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 고용량 배터리는 수산화 리튬을 요구하는데, 회수 기술 대비 전환 비용이 절감된다. BMR 기술을 통해 NCM, NCA 등 다양한 양극재를 처리할 뿐만 아니라 배터리 조립과정에서 나오는 젤리롤이나 양극 스크랩, 폐배터리도 전 과정에서 처리 가능하다.

 

자료: SK이노베이션

 

케미컬 추출 방식의 경우 정제하는 과정에서 인산리튬과 탄산리튬을 거쳐 수산화 리튬이 된다. 고온 건식제련의 경우 염화리튬으로 회수되어 탄산리튬을 거치고 수산화 리튬으로 바뀐다. 반면 수소 환원 시에는 수산화 리튬으로 한 방에 갈 수 있어 제조할 때 경제성이 좋아진다. 환경문제 역시 해결 가능하다.

한국 정부가 2021년 7월 발표한 2030 K–배터리 산업 발전 전략을 보면, 안정적인 소재 공급망 구축을 위해 배터리 리사이클링을 통한 핵심소재 공급 설비 구축을 확대할 계획이다.

 

자료: 2030 K-배터리 산업 발전전략

 

또한 배터리 재활용 산업화 센터를 구축하여 배터리 리사이클을 위한 원소재 확보에 나서고 있다.

 

자료: 2030 K-배터리 산업 발전전략

 

｜ 해외 업체(Li-Cycle)의 실적을 통해 본 배터리 리사이클링의 현재

헌 배터리 줄게, 새 배터리 다오 Li-Cycle은 LG화학과 GM의 합작사인 얼티엄셀즈와 폐배터리 재활용 계약을 맺은 업체로 국내에 잘 알려져 있다. 또한, 북미 최대 배터리 재활용업체로 최근 스펙 상장했다. 이 회사를 통해 배터리 리사이클링 업체들의 미래를 가늠해볼 수 있지 않을까 생각된다.

 

Li-Cycle : 2021년 9월 3Q21 실적 발표에 따르면, 현재까지 실적은 회사의 기대대로 순항 중이다. 2021년 하반기부터 의미 있는 수준으로 램프업함과 동시에 초기 발표했던 배터리 메가 팩토리 발표와 더불어 앨라배마 지역에 4번째 Spoke를 추가 예정이라고 한다.

 

이 회사의 특징은 Spoke and Hub 방식의 재활용 기술을 통한 비열 분해성으로, 이를 통해 리튬이온배터리 회수율이 50%에 불과한 업계 평균 대비 최대 95%에 달하고 있다.

 

기술적 강점, 자료: Li-Cycle

 

 

공정 단순화를 통한 경제성 확보 LiCycle은 전처리에 속하는 Spoke와 후처리에 해당하는 Hub가 있는데 Spoke & Hub를 통해 기존 리튬이온배터리 리사이클링 공급망을 단순화했다. 기존 배터리 리사이클링 공급망에서 전처리는 매우 비용이 많이 들고 연소 기반이어서 환경·경제적 관점에서 비효율적이다. 후처리 역시 기존 니켈 제련 인프라를 이용한 방식에 불과하여 처리 과정에서 리튬과 흑연 같은 구성 요소가 손실되는 단점이 있다.

이와 달리 Li-Cycle은 98% 이상의 높은 회수율 및 배터리 분해를 최소화하거나 전혀 하지 않는 자동화 처리를 통해 비용 절감 효과가 있으며, IP 해자로 보호되는 Non-pyro 기술로 배출량을 크게 줄였다. 또한 인산철 리튬 배터리, LFP 배터리, 전 고체 배터리 등 모든 배터리에 적용 가능하다.

 

① Spoke : 지역별 집하장으로 파쇄 과정을 거쳐 폐배터리를 플라스틱, Cu/Al Foils, Black Mass로 분리하며, 모든 타입의 리튬이온배터리 재활용 가능하며, 별도 분류나 배출 과정 없이 기계적 파쇄 방식 사용

 

자료: Li-Cycle의 Spoke 프로세스

 

 

② Hub : Spoke 공정에서 추출한 Black Mass에서 황산니켈, 코발트 등 주요 원재료를 추출하며, 추출 과정 중 고체 폐기물을 최소화하고 폐수 무방류 시스템(Zero Liquid Discharge; ZLD)을 사용한 친환경 공법 적용

 

자료: Li-Cycle의 Hub 프로세스

 

 

자료: Li-Cycle, 주요 Spoke 확장 계획

 

 

Li-Cycle의 현재와 미래 Li-Cycle은 추가적으로 지속해서 Spoke를 증설 중이다. 앨라배마 Spoke 4의 경우 초기 연간 5000톤에서 연간 10,000톤으로, 북미 Spoke 총 캐파는 연간 25,000~30,000톤으로 확대 예정이다. 앨라배마에서는 벤츠, SK이노베이션, 포드, Envision AESC(르노, 닛산 대응) 등의 핵심 업체를 대응한다고 한다.

로체스터 허브 역시 예정대로 전략적 제휴를 진행 중이다. 2023년 초까지 램프업 예정이며 캐파는 연간 60,000톤 예상하고 있다. 2025까지 총 220,000~240,000톤의 허브 처리 캐파를 확보할 계획이다.

북미는 현재까지 14곳의 신규 고객사를 확보했다. 블랙 매스는 3Q21까지 524톤을 생산하였으며, 이 중 리튬 85톤, 니켈 75톤, 코발트 23톤을 추출했다.

 

Li-Cycle의 주요 고객사, 자료: LI-Cycle

 

 

3분기 실적을 살펴보면, 로체스터 Spoke에서 처리된 배터리 및 배터리 스크랩 수량 증가와 신규 배터리 공급 고객 수 확대로 인한 제품 판매 증가로 YoY 840% 증가한 170만 달러를 기록했다. 제품 판매 매출은 160억 달러이며 재활용 서비스 매출은 약 10만 달러다.

운영비는 전년 190만 달러 대비 790만 달러로 올랐는데 인건비, 로체스터 스포크의 운영비, 원자재 및 공급 물량, 스펙 상장에 따른 경상 비용 지출 등이 원인이다. R&D는 주로 정부 보조금으로 자금을 조달했으며 순손실은 전년도 180만 달러 대비 690만 달러로 증가했다.

 

자료: Li-Cycle