리튬 배터리의 풀리지 않은 큰 질문

전 세계가 자동차를 전기화하고 재생 가능한 전력을 저장하려고 하는 상황에서 하나의 거대한 도전이 다가오고 있습니다. 모든 오래된 리튬 배터리는 어떻게 될까요? 전기 자동차의 조용한 소용돌이가 점차적으로 내연 기관의 회전수와 유독 가스를 대체함에 따라 많은 변화가 우리의 친숙한 세계를 걸러내도록 설정됩니다. 주유소의 압도적인 냄새는 자동차가 필요에 따라 배터리를 충전할 수 있는 무취 충전소로 사라질 것입니다. 한편, 지평선을 가로지르는 가스 동력 발전기 사이트는 언젠가는 재생 에너지로 도시 전체에 전력을 공급할 수 있는 거대한 배터리 를 수용하도록 개조될 수 있습니다 .

이 전기화된 미래는 당신이 생각하는 것보다 훨씬 더 가깝습니다. GM 은 올해 초 2035년까지 휘발유 자동차 판매를 중단할 계획이라고 발표했다 . Audi의 목표는 2033년 까지 생산을 중단하는 것이며 , 다른 많은 주요 자동차 회사도 이를 따르고 있습니다. 실제로 BloombergNEF에 따르면 2040년까지 전 세계 승용차 판매의 3분의 2가 전기차가 될 것입니다. 그리고 발전하는 배터리 저장 기술 덕분에 전 세계적으로 그리드 규모 시스템이 빠르게 성장하고 있습니다 .

이것이 지속 가능한 전력 및 도로 여행을 위한 이상적인 경로처럼 들릴지 모르지만 한 가지 큰 문제가 있습니다. 현재 리튬(Li) 이온 배터리는 전기차에 주로 사용되는 배터리와 재생 에너지를 저장하는 메가 배터리로, 리튬 배터리는 재활용이 어렵다.

EV에 대한 수요가 증가함에 따라 예상대로 더 많은 전기차를 재활용하려는 추진력이 배터리 및 자동차 산업 전반에 걸쳐 확산될 것으로 예상됩니다.

한 가지 이유는 납산 배터리와 같이 보다 전통적인 배터리를 재활용하는 가장 널리 사용되는 방법이 리튬 배터리와 잘 작동하지 않기 때문입니다. 후자는 일반적으로 더 크고 무거우며 훨씬 더 복잡하고 잘못 분해하면 위험합니다 .

일반적인 배터리 재활용 공장에서는 배터리 부품을 가루로 만든 다음 해당 가루를 녹이거나(제련) 산에 용해(습수제련)합니다. 그러나 Li 배터리는 조심스럽게 분해하지 않으면 폭발할 수 있는 다양한 부품으로 구성되어 있습니다. 그리고 Li 배터리는 이렇게 분해해도 재사용이 쉽지 않습니다.

Leicester 대학의 물리화학자인 Andrew Abbott는 "모든 것을 단순히 파쇄하고 복잡한 혼합물을 정제하려고 하는 현재의 방법은 가치가 낮은 제품을 사용하는 값비싼 공정을 초래합니다."라고 말했습니다. 결과적으로 새로운 리튬 을 만들기 위해 더 많은 리튬 을 채굴하는 것보다 재활용하는 데 더 많은 비용이 듭니다 . 또한 Li 배터리를 대규모로 저렴하게 재활용하는 방법이 뒤쳐져 있기 때문에 전 세계적으로 재활용되는 Li 배터리는 약 5% 에 불과 합니다.

그러나 EV에 대한 수요가 증가함에 따라 예상대로 더 많은 EV 를 재활용 하려는 추진력 이 배터리 및 자동차 산업 전반에 영향을 미치게 됩니다.

리튬을 추출·가공하려면 막대한 물과 에너지가 필요하며, 리튬 시설 주변 환경 문제와도 연관돼 있다(Credit: Alamy)

Li 배터리 재활용의 현재 단점이 환경적 부담이 되는 유일한 이유는 아닙니다. Li 배터리에 필요한 다양한 금속을 채굴하려면 막대한 자원이 필요합니다. 리튬 1톤을 채굴하는 데 500,000갤런(2,273,000리터)의 물이 필요 합니다. 칠레의 아타카마 염전에서 리튬 채굴은 국립 보호 구역의 초목 감소, 낮 기온 상승, 가뭄 증가와 관련이 있습니다 . 따라서 EV가 평생 동안 이산화탄소(CO2) 배출량을 줄이는 데 도움이 될 수 있지만, 전기차에 동력을 제공하는 배터리는 환경에 큰 영향을 미치는 수명을 시작합니다.

더 이상 배터리를 일회용으로 취급할 수 없습니다 - Shirley Meng

그러나 약 10년 정도 사용   하면 사라지는 수백만 개의 리튬 배터리가  더 효율적으로 재활용된다면 모든 에너지 소비를 중화하는 데 도움이 될 것입니다. 여러 실험실에서 보다 효율적인 재활용 방법을 개선하기 위해 노력해 왔으며 궁극적으로 Li 배터리를 재활용하는 표준화되고 친환경적인 방법이 급증하는 수요를 충족할 준비가 될 것입니다.

"리튬, 코발트, 니켈을 채굴하고 정제하여 배터리로 만드는 데 많은 전력과 노력이 필요하기 때문에 순환 수명 주기에 들어갈 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 우리는 더 이상 할 수 없습니다. 배터리를 일회용으로 취급합니다."라고 샌디에이고 캘리포니아 대학의 에너지 기술 교수인 Shirley Meng은 말합니다.

 

리튬 배터리를 재활용하는 방법

리튬 배터리 셀은 금속 음극 또는 양극을 갖는다 리튬 통상적으로 코발트, 니켈, 망간 및 철을 포함하는 요소의 일부 혼합으로 이루어지는 전기 화학 반응 동안에 전자를 수집하고,. 또한 양극 또는 외부 회로로 전자를 방출하는 전극이 있으며 흑연, 분리기 및 음극과 양극 사이에서 전자를 운반하는 매개체인 전해질로 만들어집니다. 양극에서 음극으로 이동하는 리튬 이온은 전류를 형성합니다. 음극의 금속은 배터리의 가장 귀중한 부품이며 화학자들이 Li 배터리를 분해할 때 보존 및 재생에 중점을 두는 부분입니다.

Meng은 Li 배터리를 많은 층이 있는 책장과 같으며 리튬 이온이 각 선반을 가로질러 빠르게 이동하여 매번 맨 위 선반으로 되돌아가는 과정을 인터칼레이션(intercalation) 이라고 합니다. 몇 년이 지나면 책장은 자연스럽게 무너지고 무너지기 시작합니다. 따라서 Meng과 같은 화학자들이 Li 배터리를 분해할 때 구조와 재료에서 볼 수 있는 일종의 저하입니다.

"우리는 실제로 메커니즘을 찾을 수 있으며 열이나 일종의 화학 처리 방법을 사용하여 책장을 다시 [함께] 놓을 수 있습니다."라고 Meng는 말합니다. "따라서 우리는 재활용되고 재생된 재료를 새 배터리로 만들기 위해 [Li 배터리] 공장의 조립 라인으로 다시 보낼 수 있습니다."

리튬 배터리는 납산 배터리보다 내부적으로 더 복잡하며, 주의 깊게 조립된 많은 부품으로 구성됩니다(제공: Getty Images)

리튬 배터리 재활용을 개선하고 궁극적으로 부품을 재사용할 수 있게 하면 이미 존재하는 리튬 배터리에 가치를 재충전할 수 있습니다. 이것이 바로 과학자들이 Meng이 설명하는 직접 재활용 공정을 옹호하는 이유입니다. 왜냐하면 이것이 음극 및 양극과 같은 Li 배터리의 가장 귀중한 부품에 제2의 수명을 제공할 수 있기 때문입니다. 이는 제조와 관련된 에너지, 폐기물 및 비용을 크게 상쇄할 수 있습니다.

그러나 Li 배터리 분해는 현재 실험실 설정에서 주로 손으로 수행되고 있으며 직접 재활용이 보다 전통적인 재활용 방법과 경쟁하려면 변경해야 합니다. Abbott는 "미래에는 분해에 더 많은 기술이 필요할 것입니다."라고 말합니다. "로봇을 이용해 배터리를 조립한다면 같은 방식으로 분해해야 하는 것이 논리적이다."

영국 패러데이 연구소(Faraday Institution)의 Abbott 팀은 Li 배터리의 재활용 및 재사용을 전문으로 하는 ReLib 프로젝트의 일환으로 Li 배터리의 로봇 분해를 조사하고 있습니다. 팀은 또한 "치과의사가 치아를 청소하는 데 사용하는 것과 같은" 초음파 프로브를 사용하여 양극과 음극을 직접 재활용하는 방법을 찾았습니다 . "그것은 표면에서 코팅을 내파하고 폭발시키는 작은 거품을 생성하는 표면에 초음파를 집중시킵니다." 이 과정을 통해 배터리 부품을 파쇄해야 하는 번거로움을 피할 수 있습니다.

Abbott 팀의 연구에 따르면 이 초음파 재활용 방법은 기존의 습식 제련 방법 보다 같은 기간 동안 100배 더 많은 재료 를 처리할 수 있습니다 . 그는 또한 처녀 재료로 새 배터리를 만드는 비용의 절반 미만으로 수행할 수 있다고 말합니다.

Abbott는 프로세스가 규모에 쉽게 적용될 수 있고 더 큰 그리드 기반 배터리에 사용할 수 있다고 믿습니다. 일반적으로 동일한 배터리 셀 구조를 가지고 있고 더 많은 셀을 포함하기 때문입니다. 그러나 팀은 현재 이 제품을 생산 스크랩에만 적용하고 있습니다. 이 스크랩은 이미 케이스가 없기 때문에 부품을 더 쉽게 분리할 수 있습니다. 그러나 팀의 로봇 해체 테스트가 증가하고 있습니다. Abbott는 "현재 전체 전극에서 작동하는 시연 장치를 보유하고 있으며 향후 18개월 내에 생산 시설에서 작동하는 자동화 프로세스를 선보일 수 있기를 희망합니다."라고 말했습니다.

 

분해 가능한 배터리

일부 과학자들은 보다 친환경적인 방식으로 생산 및 분해할 수 있는 배터리를 선호하여 리튬 배터리에서 벗어나야 한다고 주장하고 있습니다. 텍사스 A&M 대학의 화학 공학 교수인 조디 루트켄하우스(Jodie Lutkenhaus)는 명령에 따라 분해될 수 있는 유기 물질로 만들어진 배터리를 연구하고 있습니다.

"오늘날 많은 배터리가 관련 에너지 및 인건비 때문에 재활용되지 않습니다."라고 Lutkenhaus는 말합니다. "명령에 따라 성능이 저하되는 배터리는 재활용에 대한 장벽을 단순화하거나 낮출 수 있습니다. 결국 이러한 성능 저하 제품은 새로운 새 배터리로 재구성되어 재료 수명 주기 루프를 닫을 수 있습니다."

Li 배터리를 분해하고 부품을 리퍼브해도 여전히 일부 부품이 저장되지 않고 낭비된다는 점을 고려하면 정당한 주장입니다. Lutkenhaus 팀이 연구하고 있는 것과 같은 분해 가능한 배터리 는 보다 지속 가능한 전원이 될 수 있습니다.

ORB(Organic Radical Batteries) 는 2000년대부터 사용되어 왔으며 전자를 저장하고 방출하기 위해 합성되는 유기 물질의 도움으로 기능합니다. "유기 라디칼 배터리에는 전자 또는 에너지를 함께 저장하고 방출하기 위해 협력하여 작동하는 전극 역할을 하는 두 가지 [재료]가 있습니다."라고 Lutkenhause는 설명합니다.

팀은 산을 사용하여 ORB를 아미노산 및 기타 부산물로 분해하지만 부품이 제대로 분해되기 위해서는 조건이 적절해야 합니다. "결국 우리는 높은 열에서 산이 작동한다는 것을 발견했습니다."라고 Lutkenhaus는 말합니다.

그러나 이 분해성 배터리에는 여러 가지 과제가 있습니다. 그것을 만드는 데 필요한 재료는 비싸고 EV 및 전력망과 같은 수요가 많은 애플리케이션에 필요한 전력량을 아직 제공하지 못합니다. 그러나 아마도 Lutkenhause의 얼굴과 같은 분해성 배터리의 가장 큰 도전은 이미 잘 정립된 Li 배터리와 경쟁하는 것입니다.

향후 수십 년 동안 전기 자동차에 대한 수요가 급증함에 따라 배터리를 재활용하는 방법의 필요성도 커질 것입니다(제공: Getty Images)

Li 배터리의 직접 재활용을 추진하는 과학자들의 다음 단계는 배터리 제조업체 및 재활용 공장과 협력하여 제작에서 고장까지의 프로세스를 간소화하는 것입니다.

"우리는 모든 배터리 셀 제조업체가 로봇 AI 기술을 사용하여 배터리를 쉽게 분류할 수 있도록 모든 배터리에 바코드를 표시하도록 권장합니다."라고 Meng는 말합니다. "그렇게 하려면 전 분야가 서로 협력해야 합니다."

리튬 배터리는 노트북에서 자동차, 전력망에 이르기까지 다양한 장치에 전력을 공급하는 데 사용되며 화학 성분은 목적에 따라 때로는 크게 다릅니다. 이것은 재활용 방식에 반영되어야 합니다. 과학자들은 배터리 재활용 공장이 다양한 리튬 배터리를 별도의 스트림으로 분리해야 하며, 이는 재활용 시 다양한 유형의 플라스틱이 분류되는 방식과 유사하게 프로세스가 가장 효율적이기 때문이라고 합니다. 

그리고 힘든 싸움에 직면해 있지만 더 지속 가능한 배터리가 천천히 그러나 확실하게 등장하고 있습니다. Abbott는 "우리는 조립 및 분해를 더 쉽게 하는 디자인이 시장에 진입하는 것을 이미 볼 수 있으며 이것이 향후 배터리 개발에서 중요한 주제가 될 가능성이 높습니다"라고 말합니다.

생산 측면에서, 배터리 및 자동차 제조 업체가되는 아래로 절단 작업 마이닝 및 각 배터리의 수명에 작성하는 폐기물 중 에너지 소비를 줄이기 위해 리튬 배터리를 구축하는 데 필요한 재료에.

전기 자동차 제조업체들도 다양한 방식으로 자체 배터리를 재사용하고 용도를 ​​변경하기 시작했습니다. 예를 들어, Nissan은 오래된 Leaf 자동차 배터리를 개조 하여 부품을 공장으로 가져오는 자동 가이드 차량에 장착하고 있습니다.

 

앞으로 과속 방지턱

EV에 대한 꾸준히 증가하는 시장 수요는 이미 자동차 산업 전반에 걸쳐 기업들이 Li 배터리의 지속 가능성을 높이는 데 수십억 달러를 지출하고 있습니다. 그러나 중국은 현재 지금까지 리튬 배터리 의 최대 생산국이며 , 재활용 측면에서도 앞서 있습니다 .

지금까지 중국은 리튬 배터리를 가장 많이 생산하고 있으며 다른 생산업체보다 재활용 능력도 더 많습니다(Credit: Getty Images)

다양한 유형의 스트림을 분류하는 것을 포함하는 리튬 배터리 재활용을 위한 표준화된 방법을 널리 채택하면 한 단계 더 가까워질 것입니다. 한편 AI 기술을 사용하여 음극과 같은 가장 유용한 부품을 개조하면 리튬 배터리 부품 공급량이 적은 국가에서 중국에 크게 의존하지 않아도 됩니다.

Li 배터리와 경쟁할 수 있는 새로운 배터리를 개발 하는 것도 건전한 경쟁을 만들어 업계를 뒤흔들 가능성이 있습니다. Meng은 "배터리 저장, 특히 그리드 저장을 위한 포트폴리오를 다양화하면 세상이 더 나아질 것이라고 생각합니다."라고 말합니다.

제조 비용이 저렴하고 수명이 다했을 때 분리가 더 쉬운 덜 복잡하고 안전한 배터리의 출현은 현재 EV의 지속 가능성 문제에 대한 궁극적인 해답입니다. 그러나 그러한 배터리가 등장할 때까지 Li 배터리 재활용을 표준화하는 것은 올바른 방향으로 가는 중요한 움직임입니다.

그리고 수백만 개의 EV 배터리가 초기 수명 주기가 끝나는 2025년쯤이면 간소화된 재활용 프로세스가 전 세계 경제에 훨씬 더 매력적으로 보일 것입니다. 따라서 아마도 EV가 주요 운송 수단이 될 때쯤이면 배터리가 제2의 삶을 준비하게 될 가능성이 큽니다.