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전기차 배터리 재활용 및 혁신 기술 동향 분석

일일 보고서 2024년 07월 18일
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목차

  1. 요약
  2. 전기차 시장의 성장과 배터리 문제
  3. 배터리 재활용 정책 및 제도
  4. 혁신적인 배터리 기술과 연구 동향
  5. 국내외 배터리 재활용 사례
  6. 미래 배터리 시장 전망
  7. 결론

1. 요약

  • 이 리포트는 전기차 배터리 재활용과 관련된 최신 동향과 혁신 기술에 대한 분석을 제공합니다. 전기차 시장의 성장과 더불어 증가하는 폐배터리 문제를 해결하기 위한 다양한 기술적 해결책과 정책적 방안을 다루고 있습니다. 또한, 정부의 재활용 촉진 방안과 법적 제도 개선, 배터리 재활용의 현황과 새로운 기술 개발 동향을 분석하고, 국내외 주요 기업들의 배터리 재활용 사례를 소개합니다. 특히 에코프로, 포스코, GIST 등 주요 기업과 기관의 역할이 강조되며, 전기차 배터리 재활용이 환경 보호와 경제적 기회를 동시에 제공하는 중요성을 부각합니다.

2. 전기차 시장의 성장과 배터리 문제

  • 2-1. 전기차의 성장 배경

  • 전기차는 생각보다 역사가 오래된 교통수단입니다. 1800년에 최초의 전기 배터리가 등장한 이후 전기를 동력으로 사용하는 교통수단을 만들기 위한 노력은 지속적으로 이루어져 왔습니다. 1828년에 최초로 소형 전기차가 개발된 이후, 인류는 전기 자동차를 개발하기 위해 많은 노력을 기울였고, 2010년대 들어서 하이브리드 형태가 아닌 순수 전기차가 대량 생산 및 상업적 성공을 거두게 되었습니다. 환경 오염 문제와 각국 정부의 친환경 정책에 힘입어 전기차는 오늘날 새로운 친환경 미래 교통수단으로 자리잡고 있습니다.

  • 2-2. 전기차 배터리의 폐기 문제

  • 전기차 사용이 증가하면서 노후된 전기차에서 나오는 폐배터리 문제도 부각되고 있습니다. 리튬이온 배터리는 재활용이 쉽지 않으며, 추출 비용이 만만치 않기 때문에 효율적이지 않습니다. 리튬과 코발트를 채취할 수 있지만, 이를 무단 폐기할 경우 폭발 위험이 높고, 또 다른 종류의 쓰레기를 양산하게 됩니다. 또한, 배터리 폐기 문제는 최근 5년 사이에 급격하게 떠오른 문제로, 현재까지는 관련 제도나 규정이 명확하지 않은 상황입니다.

  • 2-3. 리튬이온 배터리의 재활용 현황

  • 리튬이온 배터리는 현재 대부분의 전기차에서 사용되는 배터리입니다. 이 배터리는 온도가 상승하면 폭발 위험이 있으며, 물을 만나면 더 큰 화재가 발생할 수 있습니다. 전문가들은 2030년이 되면 매년 10만 개의 전기차 폐배터리가 쏟아질 것으로 예상하고 있으며, 폐배터리 처리와 재활용에 대한 논의가 시급한 상황입니다. 세계의 주요 에너지 기업들은 이 문제를 해결하기 위해 리튬을 대체할 새로운 이온 배터리, 예를 들어 나트륨을 활용하는 배터리나 인화성 위험이 낮은 전고체 배터리를 개발하고 있습니다.

3. 배터리 재활용 정책 및 제도

  • 3-1. 정부의 전기차 배터리 재활용 촉진 방안

  • 정부는 10일 경제관계장관회의에서 전기차 배터리 재사용 및 재제조 활성화를 위해 다양한 방안을 발표했습니다. 이 방안에는 탈거 전 배터리 성능 평가 도입, 재제조 배터리 사용 허가, 그리고 배터리 전주기 이력 관리 시스템 구축 등이 포함되어 있습니다. 이 제도적 방안은 지난해 발표된 '이차전지 전주기 산업경쟁력 강화 방안'의 후속 조치로, 사용후 배터리 산업을 육성하고 글로벌 통상 규제에 대응하기 위해 마련되었습니다.

  • 3-2. 재제조 배터리 사용에 대한 법제도 개선

  • 정부는 '사용후 배터리 산업 육성 및 공급망 안정화 지원에 관한 법률안'을 입법 추진 중입니다. 이 법안은 배터리 전주기 이력 관리 시스템 및 재생 원료 인증제를 규정하고 있습니다. 또한, 관계부처 협업을 통한 정책위원회를 신설하여 세부적인 운영 사항을 정할 계획입니다. 현재 사용후 배터리에 대한 법적 개념이 명확하지 않아 제도적 기반이 미비함을 설명하며 이를 개선하려는 노력의 일환입니다.

  • 3-3. 배터리 전주기 이력 관리 시스템

  • 2027년까지 정부는 배터리 전주기 이력 관리 시스템을 구축하고 이력 정보를 신청 및 공유할 수 있는 통합 포털을 개설할 계획입니다. 이 시스템은 배터리 제조, 전기차 운행, 폐차, 사용후 배터리 순환이용까지의 전주기 이력 정보를 관리하고 민간과 공유할 수 있도록 설계되었습니다. 이를 통해 배터리 공급망 관리, 거래 활성화, 안전관리 등을 위한 정책이 수립되고 투명한 거래 정보가 제공될 예정입니다.

4. 혁신적인 배터리 기술과 연구 동향

  • 4-1. 나트륨 이온 배터리와 전고체 배터리 기술

  • 전기차의 폐배터리 문제는 중요한 이슈로 떠오르고 있습니다. 리튬이온 배터리는 재활용이 어렵고, 비용이 많이 들며 폭발 위험이 있어서 처리 방법에 대한 논의가 필요합니다. 이를 해결하기 위해 세계 주요 에너지 기업들은 리튬을 대체할 새로운 이온 배터리를 개발하고 있습니다. 나트륨 이온 배터리는 리튬보다 풍부한 원소인 나트륨을 이용하여 개발되고 있으며, 전고체 배터리 방식은 인화성 위험이 낮아 안전성이 높습니다. 현재 많은 연구가 이 두 가지 기술을 중심으로 진행되고 있습니다.

  • 4-2. 고에너지 밀도 리튬금속전지 기술

  • 기존 리튬이온 전지의 음극 소재인 흑연은 용량이 한계에 다다랐습니다. 에너지 밀도를 높이기 위해서는 용량이 더 높은 음극 소재가 필요합니다. 광주과학기술원(GIST)과 현대자동차 연구팀은 고분자가 코팅된 삼차원 절연 구조체를 음극에 도입하여 고에너지 밀도 리튬금속전지를 개발했습니다. 이 전지는 기존 리튬이온전지보다 최대 2배 이상의 에너지 밀도와 수명을 가지고 있습니다. 연구팀은 리튬금속 배터리에서 폴리테트라플루오로 에틸렌을 이용하여 다공성 구조를 설계하고, 삼차원 구조체 표면에 폴리도파민을 코팅하여 안전성과 내구성을 개선했습니다.

  • 4-3. 전기차 주행거리 향상을 위한 기술

  • 리튬금속전지는 이론적으로 리튬이온전지보다 10배 이상의 음극 용량을 구현할 수 있어 전기차 주행거리를 크게 향상시킬 수 있습니다. GIST 연구팀은 새로 개발한 삼차원 고분자 구조체를 이용하여 충·방전 내구성을 향상시키고, 리튬이온의 균질한 유량을 유지하여 수지상 결정 성장을 억제했습니다. 이렇게 개발된 리튬금속 음극은 기존 구리 집전체 기반 리튬금속 음극보다 2배 이상의 에너지 밀도와 긴 수명을 가지고 있어 전기차의 한 번 충전으로 주행할 수 있는 거리를 크게 늘릴 수 있습니다.

5. 국내외 배터리 재활용 사례

  • 5-1. 에코프로의 클로즈드 루프 시스템

  • 에코프로는 전기차 배터리 재활용 분야에서 클로즈드 루프 시스템을 도입하여 큰 주목을 받고 있습니다. 클로즈드 루프 시스템은 피드백 제어 시스템으로, 냉장고에서 내부 온도를 자동으로 유지하는 방식과 유사한 개념입니다. 에코프로는 2016년부터 포항캠퍼스에서 약 1조 8000억 원을 투자하여 이차전지 원료부터 양극재 소재인 전구체, 양극재, 폐배터리 리사이클링까지의 벨류체인을 구축하였습니다. 에코프로는 2023년부터 5년간 2조 원을 추가로 투자하여 친환경 공법과 생산성을 향상하는 클로즈드 루프 에코시스템 2.0을 도입하고, 이를 캐나다와 헝가리 등 해외 사업장에도 적용할 계획입니다.

  • 5-2. 포스코의 배터리 재활용 사업

  • 포스코는 배터리 재활용 사업에서 수직 계열화를 통한 경쟁력을 갖추고 있습니다. 2010년부터 리튬 추출 기술 개발을 시작해 전남 율촌산업단지에 ‘양극재·수산화리튬·폐배터리 재활용’ 삼각편대를 구축했습니다. 포스코는 광석리튬을 수산화리튬으로 전환하여 양극재 제조사인 포스코퓨처엠에 공급하고 있으며, 2024년 9월에 2만 1500톤의 생산능력을 가진 2공장이 준공될 예정입니다. 또한, 포스코는 폐배터리에서 추출한 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등을 재활용하여 포스코퓨처엠에 제공하고 있습니다.

  • 5-3. 일본의 전기차 폐배터리 재활용 현황

  • 일본은 전기차 폐배터리 재활용 산업이 빠르게 성장하고 있습니다. 일본의 배터리 재활용 기술은 폐배터리에서 주요 금속을 추출하여 새로운 배터리 생산에 다시 사용하도록 합니다. 일본의 배터리 재활용 기술은 환경 보호와 자원 절약 측면에서 주목받고 있으며, 앞으로도 관련 산업의 지속적인 발전이 기대됩니다.

6. 미래 배터리 시장 전망

  • 6-1. 전기차 사용후 배터리 시장 규모 전망

  • 2022년 상반기 전 세계 전기차 신규 판매량은 430만대에 달했습니다. 이에 따라 전기차 사용후 배터리 시장도 급성장하고 있습니다. 전기차 사용후 배터리의 세계 시장 규모는 2030년 187GWh, 55억 5,800만 달러(약 6조 원)에 이를 것으로 예측됩니다. 2040년에는 1,849GWh 금액 기준으로 573억 9,500만 달러(약 66조 원)의 규모로 성장할 전망입니다.

  • 6-2. 전기차 배터리 재활용의 경제적 영향

  • 전기차 보급이 늘어나면서 사용후 배터리의 재활용 시장도 가속화될 것으로 예상됩니다. 이는 탄소중립 및 순환경제의 중요성이 강조되면서 더욱 두드러질 전망입니다. 배터리 제조사들은 배터리 회수와 원자재 업스트림 협상력을 활용하여 배터리 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 예를 들어, 글로벌 배터리 시장 1위 업체인 CATL은 2013년 광둥방푸를 인수하여 배터리 재활용 능력을 갖춘 종합 생산기지를 구축했습니다.

  • 6-3. 산업 활성화 및 시장 기회

  • 전기차 폐배터리 산업은 전기차의 대중화에 따라 성장하고 있으며, 이는 재사용할 수 있는 귀중한 재료가 포함되어 있어 새로운 자원에 대한 의존도를 줄여줍니다. 일본의 종합상사들은 ESS(에너지저장장치) 사업화를 적극적으로 추진하고 있으며, 기존의 자원 개발, 정보수집, 투자 역량을 활용하여 새로운 성장 기회를 포착하고 있습니다. 예를 들어, 미쓰비시 상사, 미쓰이 물산, 이토추 상사 및 스미토모 상사는 각각 ESS 제조 및 판매, 충방전 서비스, 배터리 리사이클 사업에 주력하고 있습니다.

7. 결론

  • 이번 리포트를 통해 전기차 배터리 재활용의 필요성과 중요성을 확인할 수 있었습니다. 전기차 시장의 확대로 인해 배터리 폐기 문제가 심화되고 있으며, 이를 해결하기 위한 정책과 기술이 발전하고 있습니다. 에코프로는 클로즈드 루프 에코시스템을 통해 배터리 재활용을 선도하고 있으며, 포스코는 수직 계열화를 통한 배터리 재활용 경쟁력을 강화하고 있습니다. 광주과학기술원(GIST)은 고에너지 밀도 리튬금속전지를 개발하여 전기차 주행거리를 크게 향상시킬 수 있는 기술을 제시하고 있으며, 삼성SDI는 전기차 배터리 공급계약을 통해 시장에서의 입지를 강화하고 있습니다. 리포트에서 제시된 한계로는 기존 리튬이온 배터리의 재활용 효율성과 처리 비용 문제가 있으며, 이를 해결하기 위한 추가 연구와 제도 개선이 필요합니다. 배터리 재활용 기술은 현재 진입 단계에 있으며, 앞으로 더 많은 연구와 투자가 필요할 것입니다. 이러한 노력을 통해 전기차 배터리 재활용이 더욱 효율적으로 이루어지고, 지속 가능한 미래 에너지 산업의 중요한 축으로 자리잡을 것으로 전망됩니다.

8. 용어집

  • 8-1. 에코프로 [회사]

  • 에코프로는 클로즈드 루프 에코시스템을 구축하여 배터리 재활용 시스템을 선도하고 있습니다. 포항에 클로즈드 루프 에코시스템 2.0을 적용하여 배터리 재활용에 앞장서고 있습니다.

  • 8-2. 포스코 [회사]

  • 포스코는 이차전지 밸류체인을 수직계열화하여 리튬 추출과 재활용에 주력하고 있습니다. HY클린메탈을 통한 배터리 재활용 사업에도 힘을 쏟고 있습니다.

  • 8-3. GIST [연구기관]

  • 광주과학기술원(GIST)은 고에너지 밀도 리튬금속전지 기술을 개발하여 전기차 배터리의 성능을 향상시키고 있습니다. 이 기술은 전기차의 주행거리를 크게 늘릴 수 있을 것으로 기대됩니다.

  • 8-4. 삼성SDI [회사]

  • 삼성SDI는 BMW와의 배터리 공급계약을 통해 전기차 배터리 시장에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 최근 노스볼트와의 계약 취소로 공급을 이전받게 되었습니다.

9. 출처 문서