1차 전지의 종류는 △알카라인 전지와 △망간계 전지가 있으며, 2차 전지는 1900년대 초부터 사용한 △납축전지(Storage cell)부터 1980년대 나오기 시작한 가정용 무선전화기에 사용되었던 △니카드(Ni-Cd) 전지와 △니켈수소전지를 거쳐 최근 스마트폰 및 전기자동차 등의 주 배터리로 사용되는 △리튬이온전지까지 다양한 제품이 혼용되고 있다.

<전지 종류별 특성 및 용도>

*에너지 밀도: 에너지양. 전지를 크게 하면 에너지 양도 증가하므로, 에너지양은 절대적인 양이 아닌 단위 체적당 (MJ / l) 또는 단위 중량당 (MJ / kg)으로 표시

세계 전지 수요는 스마트폰, 태블릿 PC 등 전자기기의 사용 증가와 전기자동차 시장의 확대에 따라 기하급수적으로 증가할 전망이다. 때문에 폐전지 재활용이 국제적인 과제로 부상하고 있다.

l 스마트 시대에 대두되는 폐전지 재활용 이슈

환경부에 따르면 2018년 9월 말 기준, 국내에 보급된 전기차는 4만 6,968대이다. 기관마다 전망치가 상이하나 오는 2022년까지 약 35만 대가 등록될 것으로 전망된다. 향후 정부의 친환경 정책이 강화된다면 국내외 전기차 수요는 더욱 증가할 수 있다.

<우리 나라의 연도별 전기자동차 보급 현황>

전기차의 대폭적인 증가에 따라 폐전지 처리에 대한 우려도 커지고 있다. 국내 전기차 폐전지 관련 규정에서는 ‘대기 환경보전법’에 따라 구매 보조금을 받은 전기차를 폐차할 경우, 회수된 배터리를 해당 지방자치단체에 반납하도록 하고 있다. 하지만 정작 반납된 배터리의 재활용, 분해, 처리 방안에 대한 세부적인 절차가 아직 없다. 이미 독일, 중국 등 해외에서는 폐전지에 대한 처분 및 재활용에 관한 법률 등을 제정, 운영하고 있다.

자연히 폐전지의 재활용 기술 개발이 주목받게 됐다. 폐전지 재활용 기술이 발전에 따라, 국가적으로는 전략 광물자원인 코발트, 망간, 니켈 등을 다시 확보할 수 있는 이점이 있다. 또한 공정 부산물의 재활용을 통하여 전지산업의 활성화 및 산업 경쟁력을 높일 수 있다.

l 폐전지 재활용 어떻게?

폐전지의 리사이클링을 전문적으로 하는 기업이 증가하고 있다. 일본 JFE 그룹 산하, JFE 환경 주식회사는 JFE 환경은 재활용 사업 강화를 위해 폐기물 조달처로 폐건전지 처리를 확대하고 있다. 다양한 경로로 수집된 폐전지들은 분류 과정을 통해 전지 종류별로 구분된다. 리튬이 많이 사용되는 2차 전지는 Smelters(용광로)에서 녹여 리튬, 코발트 등 희소금속을 추출해 낸다.

분쇄와 체질 등을 통해서 분류된 망간산화물, 아연산화물 및 비철금속 등에서 아연 및 구리가 회수된다. 자력 선별된 철 및 주석 성분은 전기로 조업에 철스크랩으로 활용된다.

* 전기로(Electronic Arc Furnace): 제강 기법의 일종으로 전기를 이용해 금속이나 합금을 가열하거나 용해하는 용광로

<폐전지 재활용 프로세스>

여기서 주목해야 하는 것은 폐전지를 활용해 여러 금속자원을 회수하는 뿐만 아니라, 전기로 조업에서 폐전지를 철원으로 사용하고 있으며 그 사용 규모가 커지고 있다는 점이다.

JFE 스틸의 자회사이며 전기로 업체인 JFE 조강의 미즈시마제철소의 경우 전기로에서 연소성을 확대하기 위해 철스크랩의 3% 정도를 폐전지를 가공하여 사용하고 있다.

전기로는 1,600도의 고온에서 폐기물을 용융처리하기 때문에, 800~1000도 정도의 일반 소각로 대비 연소 폐기물을 크게 줄일 수 있다. 또한 니켈-수소전지를 사용할 경우 원료가격을 줄일 수 있고 환경 부하의 경감을 꾀할 수 있기에 일석이조의 효과를 거둘 수 있다고 본다. 순환경제 측면에서 철강업의 발전을 위하여 다양한 시도가 이루어짐을 알 수 있다.

l 2차 전지 재활용의 현주소 그리고 미래

폐전지 중에서도 전기차에 주로 사용되는 2차 전지, 즉 리튬이온전지 재활용에 대한 관심도 높아지고 있다. 포스코의 경우, 미래 먹거리 산업으로 리튬 이차전지의 핵심 소재인 리튬 사업에 적극적인 투자를 하고 있다. 연간 5만 5,000톤을 생산할 수 있는 광산과 염호(소금호수)를 확보하고 2021년부터 본격적인 상업 생산에 들어갈 계획이다. 리튬 5만 5,000톤은 전기차 약 110만~120만 대분의 배터리를 제조할 수 있는 양이다.

▲포스코가 광산권을 인수한 아르헨티나 북서부에 위치한 ‘옴브레 무에르토(Hombre Muerto)’ 염호 전경

포스코는 또한 리튬 추출을 위한 독자적인 리튬 추출 기술인 ‘PosLX(Posco Lithium eXtraction)’을 보유하고 있다. 이를 통해 염수뿐만 아니라 폐이차전지, 리튬 광석에서도 리튬을 추출할 수 있다. 실제로 포스코는 국내 폐배터리 재활용업체에서 재활용하여 얻는 인산리튬을 활용하여 리튬을 생산하고 있다.

리튬 이차전지 대형화에 따른 안정성을 확보하기 위해 주로 리튬 코발트 산화물을 양극활물질(양극재)로 사용하던 과거와 달리 니켈, 망간 등의 사용량이 증가할 전망이다. 이에 따라 망간에 대한 재활용 기술 개발도 발전할 것으로 예상된다.

*양극활물질(양극재): 양극활물질은 배터리의 (+)극, 즉 양극을 만드는 소재. 2차 전지 핵심 소재 중 하나.

전기차에 사용되는 리튬 이차전지 수요 증가에 대비한 적절한 재활용 기술 개발은 환경보호뿐만 아니라 안전 측면에서도 필연적으로 이루어져야 한다. 지구온난화 및 환경 이슈 등으로 인해 미래 사회에 전기차로 대표되는 친환경 자동차의 수요 확대는 자명한 것으로 보인다. 인류가 보다 친환경적인 사회를 실현하기 위해서는 친환경차 개발 노력과 함께 에너지원으로 사용되는 이차전지의 생산부터 회수 및 재활용까지의 기술도 친환경적 관점에서 개발되어야 할 것이다.

포스코가 독자기술 개발 7년만에 국내 처음으로 리튬 상업 생산에 들어갑니다.

포스코는 7일 광양제철소 내 리튬생산 공장에서 권오준 포스코 회장을 비롯, 이웅범 LG화학 사장, 조남성 삼성SDI 사장, 우기종 전라남도 정무부지사, 정현복 광양시장, 김종주 산업통상자원부 과장 등 100여명이 참석한 가운데 연산 2,500톤 규모의 리튬생산(PosLX, POSCO Lithium Extraction) 공장 준공식을 가졌는데요.

이날 권오준 포스코 회장은 인사말에서 “많은 제약과 난관에도 오늘의 결실을 맺게 된 것은 미래 성장사업에 대한 비전과 열정이 뚜렷했기 때문”이라며 “향후 배터리용 리튬은 물론, 양극재용 고순도 니켈과 양음극재 개발 등 에너지소재 사업에서 차별화된 기술경쟁력으로 미래 신성장 사업을 육성해 나갈 계획”이라고 밝혔습니다.

김종주 산업통상자원부 과장은 “우리나라는 세계적인 이차전지 생산국임에도 불구하고 주원료인 배터리용 탄산리튬은 전량 수입에 의존하고 있다”며 “포스코가 배터리용 탄산리튬을 자체 생산함에 따라 이차전지 제조기업들이 원료 걱정없이 경쟁할 수 있게 됐다”라고 말했습니다.

포스코는 이번 PosLX 공장으로 연간 2,500톤의 탄산리튬을 생산해 이차전지용 양극재 제작업체인 포스코ESM과 이차전지 제작업체인 LG화학, 삼성SDI에 공급할 예정인데요. 2,500톤의 탄산리튬은 약 7,000만개의 노트북용 배터리를 생산할 수 있는 규모입니다. 그동안 국내 이차전지 제작업체들은 국내 리튬 공급사가 없어 전량 수입에 의존했으나 이번 포스코의 리튬 생산으로 원료 수급에 숨통을 트일 수 있게 됐습니다.

포스코는 이번 PosLX 공장에 사용되는 원료인 인산리튬을 폐이차전지 재활용업체로부터 전량 공급받음으로써 환경 이슈인 폐이차전지의 재활용 분야에서도 한발 앞선 대응할 수 있게 됐는데요. 지난 1월 폐이차전지에서 추출한 인산리튬으로 초도생산한 탄산리튬을 시험 평가한 결과, 입도, 순도, 충방전 효율과 용량 등 품질 기준에서 기존 제품과도 동등한 수준임을 확인했습니다.

향후 포스코는 해외 염호 확보를 통해 탄산리튬의 원료인 인산리튬도 독자적으로 생산할 계획입니다.

포스코 리튬추출기술은 화학반응을 통해 염수나 폐이차전지에서 인산리튬을 추출후 탄산리튬으로 전환하는 공법으로, 평균 12개월에서 18개월가량 소요되는 기존 자연증발식 리튬추출법과 달리 최단 8시간에서 길어도 1개월 내 고순도의 리튬을 추출해 낼 수 있습니다. 리튬 회수율 역시 기존 30~40%에서 80% 이상으로 높아져 우수한 경제성을 자랑하고요. 리튬의 순도도 99.9% 이상으로 끌어올릴 수 있으며 수산화리튬, 칼륨 등 고부가제품의 병행 생산이 가능하다는 것도 장점입니다. 포스코는 현재 리튬추출 관련 100건 이상의 국내 및 해외 특허를 출원한 상태입니다.

최근 모바일 제품의 지속 확대로 리튬이온 이차전지 수요가 폭발적으로 증가함에 따라 전 세계 배터리용 탄산리튬 수요는 `02년 6천톤에서 `15년 6만 6천톤으로 급성장해왔으며, 향후 전기자동차 및 ESS(에너지저장장치)가 확산됨을 고려하면 `25년에는 18만톤 이상으로 커질 전망인데요. 이에 포스코는 광양제철소 PosLX 공장을 시작으로 국내외 연 4만톤 생산체제를 구축해 글로벌 리튬생산 기지로서의 입지를 확고히 할 계획입니다.

한편, 취임 이후 줄곧 신성장동력의 일환인 리튬사업을 세계시장에서 독보적 위치로 성장시켜 나가겠다고 강조해온 권오준 회장은 최근 미래 성장동력 확보, 비철강 부문 등을 직접 챙기며 그룹 경영에 집중하겠다고 밝힌 만큼 앞으로 리튬사업은 더욱 속도가 붙을 것으로 전망됩니다.