전기차 폐 배터리 재활용 방법 및 기준 마련 연구

계약정보

http://www.prism.go.kr/homepage/entire/retrieveEntireDetail.do?cond_research_name=%eb%b0%b0%ed%84%b0%eb%a6%ac&cond_research_start_date=&cond_research_end_date=&research_id=1480000-201900139&pageIndex=1&leftMenuLevel=160

제1장 서론
1. 연구의 배경 및 필요성
2. 연구의 목적
3. 연구의 내용 및 방법

제2장 리튬이차전지의 중요성과 연구대상 선정
1. 이차전지의 정의
2. 리튬이차전지의 원리와 구성
3. 리튬이차전지의 국내외 시장 현황 및 전망
가. 국외
나. 국내
4. 리튬이차전지 구성 유가금속 자원 현황
5. 연구대상 선정(소·중·대형)

제3장 국내외 폐리튬이차전지 관리제도 현황
1. 국외 주요국 리튬이차전지 관련 법제
2. 국내 리튬이차전지 관련 법제

제4장 국내 리튬이차전지 폐자원흐름 분석
1. 국외 폐리튬이차전지 물질흐름분석 연구동향
가. 전기자동차 리튬이온전지 폐자원흐름 전망
나. 일본 리튬이온전지 내 코발트 물질흐름분석 연구
2. 국내 폐자원흐름 분석을 위한 단계별 정의
3. 제품별 폐자원흐름 분석
가. 소형 폐리튬이차전지: 휴대폰용 폐배터리
나. 중형 폐리튬이차전지: 전기차 폐배터리
다. 대형 폐리튬이차전지: 에너지저장장치(ESS) 폐배터리

제5장 폐리튬이차전지의 관리상 문제점 분석 및 개선방안
1. 현행 폐리튬이차전지 관리상 문제점 분석
가. 소형 폐리튬이차전지: 휴대폰용 배터리 및 보조배터리
나. 중형/대형 폐리튬이차전지: 전기차용 배터리 및 ESS용 배터리
2. 각 제품 유형별 관리 개선방안
가. 소형 폐리튬이차전지: 휴대폰용 배터리
나. 중형 폐리튬이차전지: 전기자동차용 배터리
다. 대형 폐리튬이차전지: ESS용 배터리

제6장 결론
1. 폐자원흐름 분석 종합
2. 유가금속 수입대체 가능량 산정
3. 자원회수를 통한 환경영향 저감 측면
4. 제언

참고문헌

Abstract

이차전지란 한 번 사용하고 버리는 일차전지와는 달리 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환시켜 충·방전이 가능한 전지를 의미한다. 니켈카드뮴전지, 연축전지 등 이차전지의 종류는 다양하나 이 중 리튬이차전지는 휴대폰 배터리를 비롯해 블루투스, 드론, 전기차(EV), 에너지저장장치(ESS) 등에 폭넓게 활용되어 오늘날 전지 시장을 주도하고 있다. 리튬이차전지 시장은 스마트폰의 상용화를 통해 시장 입지를 다졌으며, 최근 전기차의 급속한 보급과 ESS의 등장에 힘입어 시장규모가 크게 확대되고 있다. 이처럼 급성장하는 이차전지 시장의 속도에 상응하여 효용 만료 및 폐기 등을 통해 폐배터리의 형태로 그 배출 또한 급증할 것으로 전망된다.
하지만 현재 리튬이차전지가 폐기된 이후의 회수 및 관리체계가 미흡한 상황이다. 생산자책임재활용제도(EPR) 대상 배터리는 수은전지, 산화은전지, 리튬일차전지, 니켈카드뮴전지, 망간/알칼리망간전지, 니켈수소전지만을 대상으로 하고 있어 리튬이차전지는 관리의 사각지대에 있다. 특히 보조배터리, 전기차용 및 ESS용 폐배터리 등은 배출 이후 관리체계 및 처리 가이드라인이 부재한 상황이다. 또한 폐리튬이차전지는 잘못 관리될 경우 폭발 위험성이 높기 때문에 수송 및 처리에 있어 안전성이 요구된다.
현재 리튬이차전지 내 유가금속의 가격이 수요 확대로 인해 급격히 상승하고 있다. 희유금속인 코발트와 리튬은 양극활물질의 주요 성분으로, 양극활물질은 소재 원가의 40% 상당을 차지하는 핵심 소재이다. 국내 이차전지 업계에서는 코발트와 리튬을 전량 수입에 의존하고 있는 상황으로 국제 유가금속 가격 상승에 매우 취약한 상황이다. 이에 폐리튬이차전지의 자원순환 체계 마련을 통해 유가금속을 효율적으로 회수 및 확보할 수 있도록 정책적으로 지원할 필요가 있다.
해외에서는 자원 회수 및 안전성에 대비한 폐리튬이차전지의 관리체계 구축 및 재활용기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 하지만 국내의 경우 리튬이차전지가 배출된 이후 관리흐름에 대한 연구조차 미미한 상황이다.
이에 본 연구에서는 리튬이차전지의 폐자원흐름 분석을 통해 관리현황 및 체계를 파악하고 재활용을 저해하는 문제점을 분석하여 이에 대한 개선방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 소형(휴대폰용 폐배터리)/중형(전기차용 폐배터리)/대형(ESS용 폐배터리)을 대상으로 각각 ①배출단계, ②수거단계, ③전처리단계, ④자원회수단계, ⑤활용단계에 이르는 단계별 흐름을 파악하였다. 또한 향후 발생량 전망을 통하여 희유금속 회수에 따른 수입 대체효과를 산정하고 자원순환성 제고를 위한 배출-수거-전처리-자원회수의 관리기반을 마련하였다.
먼저 소형(휴대폰용 폐배터리)의 경우 배출 형태는 일체형과 분리형으로 나눌 수 있다. 일체형은 휴대폰에 내장된 채 배출되는 리튬이차전지로 주로 가정에서 배출되며, 휴대폰 유통 및 생산업체에서 배출되는 양은 상당히 미미하다. 가정에서 배출되는 폐휴대폰(폐배터리 포함)은 주로 9가지의 경로 - 새 제품을 구매하는 곳(이동통신사 대리점, 이하 대리점), 캠페인, 상시수거, 위탁회수, 한국정보통신진흥협회(KAIT), 대형마트, 우체국, 민간수집, 중고거래 o 에 해당하는 것으로 나타났다. 이 중 캠페인, 상시수거, 위탁회수, 한국정보통신진흥협회(KAIT) 등에서 회수되는 폐휴대폰은 한국전자제품자원순환공제조합(이하 공제조합)에서 관리되고 있다. 공제조합에서 취합한 폐휴대폰은 수도권자원순환센터(MERC)로 운송되어 본체에서 폐배터리를 분리한 후 이를 재활용업체에 판매하고 있다. 한편, 대리점에서는 중고휴대폰을 구매하여 민간 알뜰폰 사업자(MVNO: Mobile Virtual Network Operators)에게 임대폰으로 판매하거나 해외로 수출하는 것으로 알려져 있다. 공제조합 실무자와의 인터뷰에 따르면, 배출된 전체 폐휴대폰 중 약 98%가 수출되고 있는 것으로 파악된다. 그밖에 대형마트, 우체국 역시 최종소비자로부터 일정 금액을 지급하여 중고폰을 구입한 후, 민간업자에게 판매하는 것으로 조사되었다. 수집업체는 사업자 혹은 협회(한국중고통신유통협회 등)로 나뉘며, 각 기관에서는 민간 대리점, 대형마트, 우체국 등을 통해 수거된 중고 휴대폰을 수출하거나 중고시장에서 거래하고 있다. 중고거래는 전자상거래의 형태로 C2C (Customer to Customer) 혹은 C2B (Customer to Business) 등으로 이루어지고 있다.
한편, 분리형의 경우 배출 및 수거 방식 등에서 일체형과 다른 형태를 지닌다. 배출 주체는 사업장과 수입으로 분류되며, 배터리 제조업체에서 공정 중 부산물의 형태로 배출되거나 미국, 호주, 말레이시아 등에서 분말 및 폐배터리 형태로 수입되고 있다. 중고제품으로 팔리거나 공제조합 등에서 회수하고 있는 일체형과 달리, 분리형은 바로 재활용업체로 운송되어 재활용된다. 수입의 경우 일부 폐배터리는 수입업체를 통해 국내에 반입되어 재활용업체로 운송되며, 나머지 폐배터리 및 분말은 재활용업체에서 직접 수거하고 있다.
재활용업체로 운송된 폐리튬이차전지는 전처리 및 자원회수 공정을 거치게 된다. 이는 소형뿐만 아니라 전기차용 및 ESS용 배터리 등 다른 제품 유형의 리튬이차전지에도 동일하게 적용된다. 전처리단계에서는 원료 투입-파쇄-입도분리-자력선별-리튬전지 화합물 회수를 통해 수거된 폐전지를 파쇄해서 분말 형태로 만드는 과정이며, 자원회수 공정에서는 분말로부터 침출-여과-저장-추출의 과정을 통해 코발트, 황산망간, 니켈, 인산리튬, NMC 파우더 등을 회수할 수 있다. 추출된 유가금속 중 망간, 코발트, 리튬 등은 결정화 단계를 거쳐 메탈종류로 생산되며, 인산리튬은 탄산리튬 생산 공장을 거쳐 최종적으로 탄산리튬으로 전환 및 생산된다.
이렇게 회수된 유가금속(코발트, 황산망간, 니켈, 인산리튬, 탄산리튬, NMC 파우더)은 전구체 업체, 합금 제조업체, 활물질 제조업체 등에 판매된다. 코발트의 일부는 타이어 관련 제품 제조업체에도 납품되고 있다.
다음으로 중형(전기차용 폐배터리)의 경우에도 각 단계별로 관리현황을 조사하였다. 국내 배출은 ①개인, ②기관, ③사업체, ④제조사 등으로 구분된다. 전기차 소유주는 개인을 의미하나, 현재 국내에서 판매되는 전기차 대부분은 정부 및 지자체 보조금을 받고 있기 때문에 전기차 배터리는 지자체 소유로 구분된다. 기관이란, 공공기관에서 구매한 전기차량을 의미하며, 사업체는 버스회사를 뜻하는 운수업체, 전기택시업체, 렌터카업체, 배터리리스 사업체 등 4가지 유형으로 구분된다. 한편, 폐배터리 형태로 배출되는 분리형은 배터리 제조사와 완성차 제조사에서 주로 공정 중에 발생한다. 소형 배터리와는 달리, 전기차 배터리는 팩 상태로 출시되기 때문에 배터리팩 해체작업이 필요하며, 이는 수작업으로 진행되고 있어 현재는 제조사에서 재활용업체에 처리비용을 지불하고 처리하고 있다.
국내외적으로 전기차 보급이 급격히 늘어갈 것으로 전망되는 가운데, 전기차용 배터리 역시 2020년까지 약 200억 달러 시장을 형성하며 크게 성장할 것으로 예측된다. 전기차용 배터리는 각 형태에 따라 용량이 다르나, 휴대폰용 배터리 기준으로 4,300개의 배터리 용량에 해당한다. 본 연구에서 전기차용 폐배터리 발생량 추정 결과, 2017년에는 3대에 불과하나 2025년에는 8,321개의 폐배터리가 발생할 것으로 예측되며, 이는 1,976톤에 해당하는 수치이다. 하지만 현재 「대기환경보전법」에 따라 보조금이 지급된 전기차의 경우 폐차 혹은 수출 등 말소 시 해당 폐배터리를 지방자치단체의 장에게 반납하도록 하고 있으나, 그 이후의 관리체계가 마련되어 있지 않아 현장에서는 혼선을 빚고 있다. 또한 전기차용 폐배터리의 경우 발화 및 폭발 가능성이 높아 안전성에 대한 위험성이 지속적으로 제기되고 있으나, 이를 고려한 안전취급 지침 역시 부재한 실정이다. 이에 본 연구에서는 보조금 지급/미지급을 구분하고, 폐차 및 수출 등으로 말소되는 경우 이외에도 운행 중인 전기차 배터리에 대해 한계 효용에 도달했다고 소비자가 판단하는 경우, 교통사고 발생으로 파손의 우려가 있는 경우 등 크게 4가지 사항으로 구분하여 관리체계(안)을 마련하였다.
대형(ESS용 폐배터리)의 경우에도 정부로부터 ESS 설치 지원 혹은 전력요금 감면 등을 통하여 보조금이 지급되고 있으나, 이 역시 전기차 폐배터리와 마찬가지로 관리체계가 아직 구축되어 있지 않은 상황이다. 현재 개인 배출 ESS는 주로 가정용 ESS 형태로 배출될 수 있으나, 아직까지 국내 가정용 ESS 보급률은 상당히 낮은 상황이다. 기관의 경우 주로 공공기관에서 사용하고 있으며, 사업체의 경우에는 UPS나 발전소 등에서 주로 사용된다. 지금까지는 ESS용 폐배터리의 발생량이 없으나 향후 발생할 경우 지정업체를 통해 수거될 것으로 예상된다. 또한 LG화학, 삼성SDI, 코캄, 인셀, 탑전지 등 ESS 제조사에서 공정 부산물로 발생된 폐배터리 역시 향후 배출 시 재활용업체로 바로 보내질 것으로 판단된다.