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배터리 기술 발전과 재활용 현황: 한국의 현재와 미래

일일 보고서 2024년 07월 26일
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목차

  1. 요약
  2. 배터리 기술 발전 동향
  3. 배터리 재활용 산업 현황
  4. 산업 및 정책 동향
  5. 주요 연구 개발 사례
  6. 결론

1. 요약

  • 이 리포트는 한국의 배터리 기술 발전과 재활용 산업의 현황을 다룹니다. 주요 주제는 배터리 기술 혁신, 사용 후 배터리의 재활용 시스템 구축, 법과 정책의 변화, 그리고 주요 연구 개발 사례입니다. 리튬금속 전지와 리튬-황 전지 기술의 발전, 전고체 전지의 열화 현상 억제 연구가 주요 결과로 제시됩니다. 또한, 고려아연의 폐이차전지 해체 기술과 에코프로의 클로즈드 루프 시스템, 환경부의 배터리 순환 이용 정책과 법규 등이 배터리 재활용 산업의 주요 현황입니다. 이차전지 산업의 현황과 전망, 중소기업 상생협력 및 지원 정책, 그리고 국제 배터리 재활용 법규 동향 또한 포함합니다.

2. 배터리 기술 발전 동향

  • 2-1. 리튬금속 전지의 충방전 내구성 향상 기술

  • 광주과학기술원(GIST) 엄광섭 교수팀과 현대자동차 배터리연구팀이 협력하여 리튬금속 전지의 부피팽창 문제를 해결하고 충방전 내구성을 향상시키는 기술을 개발하였습니다. 연구팀은 리튬금속 배터리에 폴리테트라플루오로 에틸렌을 사용하여 삼차원 구조체를 설계하였고, 이를 통해 고에너지 리튬금속전지의 수명을 두 배로 늘렸습니다. 기존 구리 집전체 기반 리튬금속 음극보다 2배 이상의 에너지 밀도와 2배 정도의 수명을 갖는 리튬금속전지를 개발하였으며, 75회 충방전 사이클 이상에서도 초기 용량 대비 90% 이상의 안정적인 성능을 보였습니다.

  • 2-2. 고용량 리튬-황 전지 개발 사례

  • 고려대학교 문준혁 교수 연구팀은 리튬-황 전지의 양극 재료로 사용되는 황의 활용도를 극대화하여 90% 이상의 황 활용도와 리튬이온 전지 대비 2배의 용량을 달성하였습니다. 연구팀은 계면에너지를 제어하여 탄소 표면에 최소한의 접촉으로 황화리튬이 형성될 수 있도록 함으로써 리튬-황 전지의 수명과 용량을 혁신적으로 개선하였습니다.

  • 2-3. 전고체 전지의 열화 현상 억제 연구

  • 한국전자기술연구원(KETI) 연구진은 전고체 전지의 출력과 수명 특성 저하 원인을 규명하고 이를 해결하기 위한 도전재 제어 기술을 개발하였습니다. 연구진은 구형 탄소 도전재 입자가 이온 전달을 방해하여 열화를 유발한다는 사실을 발견하고, 선형 탄소 도전재를 적용하여 전해질과 탄소 접촉 면적을 최소화하며 이온 전도 경로를 확보하였습니다. 이를 통해 전지의 물리적 성능 저하를 막고 고에너지 밀도의 양극을 위한 활물질 구성을 극대화할 수 있음을 확인하였습니다.

3. 배터리 재활용 산업 현황

  • 3-1. 폐이차전지 해체 및 분리 기술

  • 고려아연은 폐이차전지 해체 및 분리를 위한 자동화 기술을 개발 중입니다. 기존 공정은 수작업과 기계적, 용액적, 열적 처리가 단계적으로 이루어지며, 이 과정에서 안전사고의 위험이 높습니다. 특히, 파쇄 및 분쇄 과정에서 발생하는 잔존용량과 분진으로 인해 화재 폭발의 가능성이 존재합니다. 이에 고려아연은 폐이차전지를 과충전하여 리튬을 직접 추출하는 기술을 세계 최초로 개발하고 있습니다. 이 기술은 에너지 소모량의 92%를 줄이고, CO₂ 배출량을 93% 저감할 수 있습니다. 또한, 자동화를 통해 시간당 3팩 이상의 해체가 가능하며, 자동화율은 99.9%에 달합니다.

  • 3-2. 클로즈드 루프 시스템의 양극재 재생산

  • 에코프로는 폐배터리 회수부터 양극재 생산까지의 전 과정을 포함한 클로즈드 루프 시스템을 운영하고 있습니다. 이 시스템은 블랙파우더를 회수하여 다양한 금속을 추출하고, 이를 다시 양극재로 가공합니다. 에코프로는 양극재 생산을 통해 리사이클링 시장에서 중요한 역할을 하고 있으며, 전기차 시장의 성장 추세에 맞춰 재활용 기술을 지속적으로 발전시키고 있습니다.

  • 3-3. 배터리 순환 이용 정책과 법규

  • 환경부는 사용후 배터리의 재활용을 촉진하기 위해 다양한 법과 제도를 마련하고 있습니다. 2021년에는 K-순환경제 이행계획이 발표되었으며, 이는 재생원료 사용, 안정성 평가, 인프라 구축 및 기술 지원 등을 포함합니다. 또한, 2022년부터 2024년까지 진행되는 미래발생 폐자원 재활용 촉진 기술개발사업에는 총 77억 원이 배정되었습니다. 2027년까지는 총 468억 원을 배정받아 배터리 팩 재질 구조 개선, 해체 분리 자동화, 자원 회수 및 재활용 공정의 환경부하 저감 기술을 개발하고 있습니다.

4. 산업 및 정책 동향

  • 4-1. 이차전지 산업의 현황과 전망

  • 이차전지는 전기차, 에너지저장장치(ESS), IT 기기 등에서 충전과 방전을 반복하여 재사용되는 배터리를 의미합니다. 최근 전동화와 탄소중립 등의 이유로 이차전지의 수요가 크게 증가하고 있습니다. 이차전지의 종류로는 리튬이온 배터리, 니켈카드뮴 배터리, 니켈수소 배터리, 리튬폴리머 배터리가 있으며, 특히 리튬이온 배터리가 빠르게 확산되고 있습니다. 2024년 이차전지 산업의 수출은 전년 대비 2.6% 감소할 것으로 보이나 하반기에는 회복될 것으로 예상됩니다. 글로벌 이차전지 시장 규모는 2020년 524억 달러에서 2030년 3976억 달러로 성장할 것으로 전망됩니다. 국내 배터리 기업들은 글로벌 시장에서 중요한 역할을 하고 있으며, 중국 CATL의 시장 점유율은 37%로 1위를 기록하고 있습니다.

  • 4-2. 중소기업 상생협력 및 지원 정책

  • 중소기업 상생협력 및 지원 정책은 정부의 부담금 폐지 및 감면을 통한 중소기업 지원을 포함합니다. 예를 들어, 학교용지 부담금, 영화관람료 부과금, 국제질병퇴치기금 등의 부담금을 폐지하여 기업의 경제활동을 촉진하고 국민 부담을 완화합니다. 또한, 정부는 부담금 관리체계를 강화하기 위해 부담금 신설 타당성평가 도입, 존속기한 의무 설정 등을 추진하고 있습니다. 이러한 정책은 중소기업의 경제적 부담을 줄이고, 상생 협력 체계를 구축하는 데 기여하고 있습니다.

  • 4-3. 국제 배터리 재활용 법규 동향

  • 주요 국가들은 배터리 재활용을 위해 다양한 법규를 도입하고 있습니다. EU는 배터리법을 통해 폐배터리 수거와 재활용 원료 비중 확대, 배터리 여권제도 도입 등을 시행하고 있습니다. 미국은 인플레이션 감축법(IRA)을 통해 미국 내에서 생산된 전기차 배터리에 인센티브를 제공하고, 중국은 전기차 생산자들에게 폐배터리 수집 및 재활용 시설 설립을 의무화하고 있습니다. 또한, 중국은 전기차 배터리의 전 수명 주기를 추적하기 위해 고유 ID를 부여하고 있습니다. 이러한 법규는 각국의 배터리 재활용과 환경 보호에 기여하고 있습니다.

5. 주요 연구 개발 사례

  • 5-1. GIST와 현대차의 리튬금속 전지 연구

  • 광주과학기술원(GIST)의 신소재공학부 엄광섭 교수팀은 현대자동차 배터리연구팀과 협력하여 리튬금속 전지의 고질적인 부피팽창 문제를 해결하는 기술을 개발했습니다. 이 기술은 고분자가 코팅된 삼차원 절연 구조체를 음극에 도입하여 충방전 내구성을 크게 향상시키는데 성공했습니다. 리튬금속 전지는 기존 리튬이온 전지 대비 10배 높은 음극 용량을 자랑하지만, 충방전 중 리튬의 수지상 결정 성장 문제와 부피 팽창 문제로 상용화에 어려움이 있었습니다. GIST 연구팀은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 이용하여 합리적인 다공성 구조를 설계하고, 폴리도파민(Polydopamine)을 통해 삼차원 구조체 표면에 코팅을 함으로써, 수지상 결정 성장을 억제하고 에너지 밀도와 수명을 두 배로 향상시킬 수 있었습니다. 이 연구 결과는 '화학 공학 저널(Chemical Engineering Journal)'에 온라인 게재되었습니다.

  • 5-2. 고려대의 리튬-황 전지 연구

  • 고려대학교는 기존의 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 2~3배 더 높은 리튬-황 전지를 개발했습니다. 화공생명공학과 문준혁 교수 연구팀은 계면에너지를 제어하여 탄소 표면에 최소한의 접촉으로 황화리튬이 형성되도록 하는 기술을 개발했습니다. 이를 통해, 연구팀이 개발한 리튬-황 전지는 90% 이상의 황 활용도와 기존 리튬이온 전지 대비 용량 2배를 달성했습니다. 리튬-황 전지는 황의 풍부한 자원과 낮은 가격 덕분에 매력적이며, 에너지 저장 효율이 높다는 점에서 주목받고 있습니다.

  • 5-3. 국내 배터리 기술 세미나 소개

  • 화학경제연구원은 '제 2회 배터리 소재 및 미래 기술 전망 세미나'를 여의도 전경련회관에서 개최했습니다. 이번 세미나는 고체 전해질의 기술 개발 속도전과 배터리 소재 및 원료 공급망 경쟁에 대한 내용을 다루었습니다. 주요 연사로는 에코프로비엠, LG화학, 동화일렉트로라이트, 대주전자재료, 에너에버배터리솔루션, KEIT, 솔리텍 등 배터리 소재 업계의 전문가들이 참여하여 리튬 이온 전지의 중장기 기술개발 전략 및 산업 전망, 리튬이온 전지용 양극재 사업 전략, 고효율 실리콘 음극재 기술 개발 동향 등을 발표했습니다. 이 세미나는 배터리 소재 개발 동향을 이해하고 향후 전망을 살펴볼 수 있는 기회를 제공했습니다.

6. 결론

  • 이 리포트를 통해 한국의 배터리 기술과 재활용 산업의 중요성을 확인할 수 있었습니다. GIST와 현대자동차의 협력 연구처럼 리튬금속 전지의 충방전 내구성 향상 기술이나 고려대학교의 리튬-황 전지 개발 사례는 한국의 배터리 기술이 지속적으로 발전하고 있음을 시사합니다. 이는 전기차 산업에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 또한, 고려아연의 폐이차전지 해체 기술과 에코프로의 클로즈드 루프 시스템, 환경부의 순환 이용 정책은 배터리 재활용 산업의 환경 보호와 자원 순환 기여도를 높여줍니다. 다만, 이러한 기술 발전과 정책에도 일부 한계가 있으며, 이를 보완하기 위한 지속적인 연구와 지원이 필요합니다. 향후 연구 방향으로는 전고체 전지의 열화 문제를 해결하고, 글로벌 시장에서의 경쟁력을 강화하는 것이 중요할 것으로 보입니다. 이러한 노력을 통해 한국은 글로벌 배터리 산업에서 주요한 역할을 수행할 것입니다.

7. 용어집

  • 7-1. 한국환경산업기술원 [기관]

  • 사용후 배터리 관련 포럼을 주최하고, 배터리 재활용 정책 및 법 인프라 구축에 관심을 기울이고 있는 환경부 산하 기관입니다.

  • 7-2. 고려대학교 [교육기관]

  • 리튬-황 전지의 고용량화 및 수명 증가 기술을 개발한 연구팀이 속한 대학으로, 배터리 기술 연구에 중요한 기여를 하고 있습니다.

  • 7-3. GIST (광주과학기술원) [연구기관]

  • 현대자동차와 협력하여 리튬금속 전지의 충방전 내구성 향상 기술을 개발하는 등 배터리 기술 혁신에 앞장서고 있는 연구기관입니다.

8. 출처 문서