폐배터리 재활용(Recycling) : 중요 기술 4가지

폐배터리 재활용 기술에서 알아야 하는 중요 기술 4가지

저온 열처리, 리튬 선추출, 전구체 용액, 망초 처리 기술

안녕하세요! WAB입니다.
오늘은 (폐)배터리 리사이클(재활용)에 관해서 살펴보겠습니다.
향후 폐배터리 Recycling 시장 규모가 굉장히 커질 분야이기 때문에 많은 업체들이 관련 비즈니스를 수행하고 있습니다.
다만, 현재 글로벌 전처리와 후처리 관련 시장의 공급규모가 과도한 상태이기 때문에, 이에 따른 원료 확보(폐배터리 등)를 위한 치열한 경쟁이 대기 중입니다.
그래서 결국 폐배터리에서 어떻게 효율적으로 높은 부가가치를 생산해 낼 수 있냐가 중요 포인트이기 때문에 관련 핵심기술에 대한 이해가 중요하죠.

폐배터리 재활용 과정

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폐배터리 재활용 공정 flow

저온 열처리 (Low Temperature Heat Treatment) 

일반적으로 배터리 양극에는 바인더로 PVDF (Polyvinylidene Fluoride)가 사용되고, 용매로는 NMP (N-Menthyl-2-Pyrrolidone)가 쓰이는데, 이 둘의 적절한 배합으로 우수한 접착력을 달성해야하고, 도전재를 잘 분산시켜야 하며, 산화/환원 반응에 안정적이어야 하기 때문에 중요합니다.
그러나 폐배터리 재활용 시, PVDF는 약 400 ℃ 이상으로 가열하게 되면 유독성의 불소 가스가 발생하게 되고, 열처리를 통해 내부 전해액 등 액체를 기화 시켜야 하는 배터리 리사이클업 특성상 전처리 과정에서 가스 포집에 추가 설비와 비용이 들어가게 됩니다.
저온 열처리는 이를 해결하기 위한 수단인데, 통상적으로 450 ℃에서 처리하는 것이 아닌 200 ~ 250 ℃ 수준에서 열처리를 진행하여, 전해액을 기화시키지만 남는 PVDF를 black mass (블랙매스)에 함께 남겨두는 공법입니다.
그러나 현재의 후처리 공정으로 저온 열처리를 통해 생산된 블랙매스를 처리하게 되면, 남아있는 PVDF로 인해 문제가 발생하는 상황인데, 이를 해결 할 수 있다면, 전처리 공정의 간소화와 비용 절감, 환경보호까지 가능해질 거라 기대합니다.
참고로 저온 열처리 기술은 독일의 Duesenfeld, 미국의 Li-Cycle가 잘합니다.

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리튬 선(先) 추출 (Pre-Li Extraction)

먼저 이 기술이 주목받는 이유부터 설명드리겠습니다.
기존의 일반적인 배터리 재활용 공정은 아래와 같은데,

1. 블랙매스 침출
2. 불순물제거
3. 유가금속추출
4. 최종적으로 리튬 회수

그러나 '22 ~ '23년에 리튬 가격이 급격하게 상승해서 리튬의 회수가 리사이클 업체 수익에 큰 영향을 미치게 되었고, 여기에 더해 황산나트륨(Na2SO4, 망초) 문제까지 더해져 black mass에서 리튬을 우선적으로 추출하는 공정이 연구되었습니다.
리튬 선추출 공정이란 전처리를 통해 생산된 black mass를 황산 침출과정 이전에 물 또는 기타 용매에 투입한 뒤, 녹아든 리튬을 우선적으로 추출한 뒤 나머지 유가금속을 추출하는 공정입니다.
물을 이용해 리튬 선추출 공정을 진행할 수 있지만, 상당히 많은 양의 물이 필요하기에, 리튬 선추출 공정에 알맞은 용매를 개발하는 것이 리튬 선추출 공정의 핵심이라 할 수 있습니다.
참고로 리튬 선추출 기술은 독일의 BASF가 가장 앞서 있고, 그 밖에는 중국의 화유 리사이클, 한국의 새빗켐 등이 개발 중입니다.

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전구체 용액 (pCAM Solution)

기존의 리사이클 공정에서는 유가금속 침출이 끝나고 나면, 이를 '결정화' 하여 황산 니켈, 황산 코발트, 황산 망간의 고형 상태로 전구체 업체에게 판매하고 있습니다.
반면, 전구체 솔루션은 리사이클 후처리 공장을 전구체 공장과 인접하게 배치하여, 침출 공정을 통해 불순물이 제거된 용액에서 니켈, 코발트, 망간을 추출 한 뒤,
'결정화 하지 않은' 황산화합물의 상태로 파이프 라인을 통해 전구체 공장으로 운송되고, 니켈, 코발트, 망간의 비율을 조정한 뒤 곧바로 전구체 원료로 사용할 수 있는 기술입니다.
다만 인접한 전구체 공장이 있고, 파이프 라인을 설치한다는 제한조건이 있지만, 해당 조건이 충족된다면 기존 방식이었던 결정화 후 차량 운송 방식보다 큰 원가 절감의 효과를 기대할 수 있습니다.
더욱이 전처리를 거치지 않은 재활용 원료는 장거리 운송에 어려움이 있지만, black mass를 운송하는 것은 비교적 수월하기 때문에, 추후 동일 지역에 전처리-후처리 공장이 아닌, '후처리-전구체 공장'이 좀 더 늘어날 수도 있을 듯합니다.
참고로 전구체 용액 기술을 적용하는 주요 업체로는 한국의 에코프로 CnG와 세빗켐이 있습니다.

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황산나트륨 (Na2SO4, 망초) 처리 및 응용

망초의 처리 및 응용문제는 현재 모든 리사이클 업체의 고민인 부분입니다.
유가금속을 회수하고 난 뒤 리튬을 회수할 때, 탄산나트륨과 황산이 반응하여 생성되는데, 일반적으로 투입한 black mass의 40% 중량에 달하는 황산나트륨이 생성됩니다. 굉장히 많이 생성되는 것이죠..
'23년 이전에는 리사이클을 통해 생성된 망초는 세제나 유리 제조 등의 용도로 사용되었지만,
최근에 급격하게 배터리 생산 시설의 증설로 인해 배터리 생산 공정 관련 스크랩(scrap)과, 배터리 사용연한에 따라 조만간 급격하게 늘어날 것이라 기대되는 폐배터리 규모로 인해서 나올 대규모의 망초를 기존의 용도만으로는 감당이 될 수 없을 거라 생각됩니다.
리튬 선추출 공정을 이용하면 황산나트륨(망초)이 생성되지 않기에, 선 추출 공정의 또 다른 장점이 되는 부분이죠.
최근 많은 리사이클 업체들이 황산나트륨(망초)을 다른 용도로 활용하고자 많은 연구를 수행하고 있습니다.

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다음 시간에는..

폐배터리 재활용 공정에 대해 알아보도록 하겠습니다 :)
읽어주셔서 감사합니다.

폐배터리 재활용(Recycling) : 대표 공정 3가지

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