LiB 폐기물용 SHARP^™ 기술

가잘레 나자리 박사,
선임 기술 책임자

성장 기회

전기 자동차(EV) 시장의 성장세를 유지하기 위해서는 안정적인 원자재 확보가 중요합니다. 배터리 응용 분야에서 나타나는 모든 신규 및 예상되는 기술의 발전에 따라 수명이 다한(EOL) 리튬 이온 배터리(LiB)의 재활용이 더욱 중요해지고 있습니다. 재생 분야에서 LiB를 재가공 및 재사용할 가능성은 있지만, 결국 LiB는 폐기되어야 합니다. EV 시장에서 LiB 수요가 급증함에 따라 LiB의 양도 증가하고, 이에 따라 수거도 용이해지므로 재활용이 더욱 쉬워질 것입니다. 전기차 배터리는 일반적으로 10~12년 사이에 수명이 종료되므로, 초기 세대 배터리도 여전히 사용되고 있습니다. 수명이 종료된 배터리의 폐기는 향후 몇 년 내에 증가할 것으로 예상됩니다.

그림 1에 표시된 바와 같이, 제조 과정에서 발생하는 폐기물은 재활용을 위한 또 다른 중요한 원료 공급원입니다. 리튬 이온 배터리(LiB) 생산 시 폐기율은 최고 수준의 생산자의 경우 약 5%, 일반 생산자의 경우 10%이며, 초기 단계에서는 30% 이상에 달합니다. 전기차(EV)의 빠른 성장세를 고려할 때, 제조 과정에서 불량으로 판정된 배터리 소재의 폐기량이 상당할 것으로 예상되며, 이 부분이 향후 10년 동안 리튬 이온 배터리(LiB) 폐기물의 대부분을 차지할 전망입니다. 따라서 재활용 수요가 증가할 수 있습니다. 2020년부터 2030년까지 리튬 이온 배터리 생산으로 인한 폐기물 양이 1,500만 톤을 넘을 것으로 예상됩니다.

중요 가치 금속 및 관리

주요 공급원에서 시작되는 배터리 핵심 금속의 공급망에 대한 최근 평가를 살펴보면, 지리적 집중성과 관련된 정치적, 안보적, 비즈니스적 위험을 비롯한 다양한 위험 요소를 확인할 수 있습니다. 리튬의 경우 전 세계 광물 공급량의 절반 이상이 호주에서 생산되며, 정제 및 국내 사용을 위해 중국으로 수출됩니다. 중남미 또한 주요 리튬 공급원이며, 이 지역은 가치 사슬의 상류 이동 요구와 까다로운 정치적 상황 속에서의 운영 등으로 인해 부담이 점차 증가하고 있습니다.

현재 전기차 배터리 설계에 있어 가장 중요한 금속인 코발트는 공급망 붕괴 가능성으로 인해 고위험 광물로 평가받고 있습니다. 이는 주로 전 세계 코발트 공급량의 절반 이상이 생산되는 콩고민주공화국에서 노동권 및 인권 침해 문제에 대한 우려가 커지고 있기 때문입니다.

저코발트 또는 무코발트 배터리 설계에 대한 연구와 실험은 성능 저하 없이 코발트에 대한 의존도를 낮추는 것을 목표로 합니다. 대부분의 해결책은 니켈 함량이 높은 NMC 화학 물질을 사용함으로써 니켈 수요와 가격을 더욱 상승시키거나, 여전히 리튬에 크게 의존하는 저비용 LFP를 사용합니다.

전기차로의 전환은 화석 연료 사용을 억제하고 기후 변화에 대응하기 위한 많은 국가의 환경 정책에서 중요한 요소입니다. 그러나 전기차의 수명 주기 분석에 따르면 원자재 채굴, 가공 및 비축, 그리고 사용 후 리튬 이온 배터리(LiB)의 폐기가 환경에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 전기차로 인한 전반적인 환경 영향을 줄이기 위한 핵심은 사용 후 리튬 이온 배터리를 재활용하는 것입니다. 리튬 이온 배터리의 금속 농도는 종종 광물 내 농도를 초과하기 때문에 상대적으로 더 쉽게 회수할 수 있습니다. 그 결과 천연 자원을 크게 보존하고, 처리 과정에서의 에너지 소비를 줄이며, 유독성 폐기물 처리를 없앨 수 있습니다.

효율적인 습식 제련 공정을 구현할 수 있다면, 검은 덩어리에서 주요 금속의 회수율을 95% 이상으로 높일 수 있습니다. 기계적 분리 공정을 병행하면 배터리 성분의 80% 이상을 회수할 수 있습니다.

코히어런트(Coherent)는 세상을 더 안전하고, 더 가깝고, 더 건강하며, 더 효율적인 곳으로 만들겠다는 사명을 가진 희귀 금속 정제 분야의 글로벌 리더로서, 환경·보건·안전(EHS) 및 품질 우수성 분야에서 탁월한 실적을 보유하고 있습니다. 코히어트는 추출 제련 분야에서 30년 이상의 폭넓은 전문 지식을 보유하고 있으며, 다양한 신제품 및 공정 개발의 중심에 유능하고 경험 많은 엔지니어와 화학자들을 두고 있습니다. 이러한 혁신 중 하나가 바로 리튬 이온 배터리(LiB)에서 회수된 블랙 덩어리로부터 중요 금속을 효율적으로 회수하기 위한 SHARP 기술의 개발입니다. 

당사의 기술은 성공적으로 확장되었으며, 주요 금속을 효율적으로 회수하고 배터리 소재를 생산할 수 있는 기술적 타당성이 입증되었습니다. 시험 설비의 운영은 더 대규모의 지속 가능한 형태로 검증되었으며, 경제적 이점도 확립되었습니다. 위험을 줄이고 정확한 상업용 플랜트 규모 결정, 신속한 준비, 고품질 제품 생산을 보장하기 위해 단계적 확장이 이루어졌습니다.

그림 3은 앞서 설명한 바와 같이, 제안된 기술이 기존 기술에 비해 갖는 장점을 강조하여 보여줍니다. 건식 제련 공정과 달리 리튬이 회수되며 유독 가스가 발생하지 않습니다. 일반적인 습식 제련 공정과 달리 대부분의 원료가 저비용의 간소화된 재활용 공정으로 처리되어 분리 및 정제 단계를 거치지 않습니다.

SHARP 기술 시험 설비 결과

Coherent 기술은 성공적으로 확장되었습니다(그림 4). 시험 설비 결과를 통해 배터리 등급 소재를 상당히 낮은 비용으로 생산할 수 있음이 확인되었으며, 환경을 중시하는 소비자와 시장 전체에 매력적인 가치 제안을 제시했습니다. 시험 설비용으로 선정된 블랙 마스(black mass) 공급물은 공정의 견고성을 확인하기 위해 알루미늄, 철, 구리, 카드뮴, 칼슘, 마그네슘, 불소 및 아연과 같은 다양한 불순물로 오염되어 있었습니다. 이러한 불순물 중 일부는 NMC 리튬 이온 배터리(LiB) 폐기물에서는 예상되지 않는 것으로, 다른 유형의 배터리와의 교차 오염으로 인해 이 블랙 마스에 존재하고 있었습니다. SHARP 기술은 검은 덩어리에서 모든 불순물을 효율적으로 제거하고 배터리 등급 소재를 생산함으로써, 높은 수준의 불순물이 존재하는 경우에도 그 견고성을 입증받았습니다.

SHARP 기술 상용화 경로

코히어런트는 시험 설비의 성공적인 운영에 힘입어, 유휴 자산을 활용해 기존 시설에서 연간 1,500미터톤(MT/y) 규모의 시범 설비를 가동함으로써 2024년에 이 기술을 한 단계 더 발전시킬 계획입니다.

코히어런트(Coherent)는 2025년에 연간 20,000MT 규모의 리튬 이온 배터리(LiB) 재활용 시설을 건설할 계획입니다. 이 최첨단 시설은 리튬 이온 배터리의 지속 가능한 관리에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 이 프로젝트는 상당량의 배터리를 재활용하여 환경 지속 가능성과 자원 보존에 기여하는 것을 목표로 합니다. 코히어트는 이러한 배터리를 효과적으로 처리함으로써 연간 약 11,000MT의 재활용 제품을 pCAM으로 생산하고, 10GWh에 해당하는 5,500MT/y의 LiOH.H2O를 생산하여 원자재 수요를 줄이고 폐기물을 최소화할 예정입니다. 이 이니셔티브는 배터리 업계에서 친환경 관행을 추구하는 전 세계적인 추세에 부응하며, 배터리 폐기가 환경에 미치는 영향과 핵심 자원의 고갈에 대한 우려를 해소하는 데 도움이 됩니다.

Coherent

1. 습식 제련 경험:
   30년 이상의 전문 지식을 보유한 Coherent는 희귀 금속 정제 설비를 성공적으로 운영해 온 풍부한 실적을 자랑합니다. Coherent는 고순도 텔루르 및 셀레늄 생산 역량이 탁월하여 전 세계 수요의 대부분을 충족하고 있습니다.
2. SHARP 기술의 견고성:
   SHARP의 기능은 농도에 관계없이 NMC 리튬 이온 배터리(LiB)에서 흔히 발견되는 알루미늄, 철, 구리 및 불소를 포함한 다양한 불순물을 처리하는 데까지 확장됩니다.
3. 낮은 확장 위험:
   필요한 장비는 습식 제련 산업에서 성공적으로 사용된 실적을 보유하고 있어 규모 확장 시 발생할 수 있는 위험이 최소화됩니다.
4. 다용도성 및 유연성:
   SHARP 기술은 제조 폐기물뿐만 아니라 카드뮴, 칼슘, 마그네슘, 아연, 텅스텐 및 지르코늄과 같은 불순물을 수용하여 EOL 검은 덩어리에서 배터리 등급 제품을 생산함으로써 그 다용도성을 입증합니다. EOL 배터리에서 발생하여 높은 수준의 불순물을 함유한 블랙 덩어리는 당사의 시험 설비에서 효과적으로 처리된 바 있어 당사 기술의 성공을 입증합니다.

탁월성에 대한 헌신과 첨단 기술, 그리고 뛰어난 적응력을 모두 갖춘 코히어런트(Coherent)는 리튬 이온 배터리(LiB) 재활용 및 배터리 소재 생산 분야의 선두 주자로서, 미래를 위한 지속 가능한 혁신의 최전선에 서 있습니다.