▲ 인터배터리 2021 전시회를 찾은 문승욱 산업부장관이 폐배터리 재활용 기업 성일하이텍 부스를 처음으로 방문했다.

폐 배터리 시장 2030년 10배↑, 신사업 각광

전기차 수명 10년, 재활용·재사용 시장 급증

포스코·두산重·완성차 업체 등 사업 진출 활발

■폐 배터리 시장 현황

2020년 이후 전기차 사용 폐 배터리(이차전지) 배출량 증가가 예상되는 가운데 재활용 및 재사용이 유망 시장으로 떠오르고 있다.

2015년 파리기후협약 이후 전기차의 보급이 확대됨에 따라, 전기차 보급은 계속해서 늘어날 것으로 예상되고 있다.

2017년 국내 기준 전기차는 25,593대(누적), 연평균 약 85%(11년~17년)의 성장률을 기록했다. 미세먼지 관리 종합대책으로 22년까지 전기차는 35만대를 공급할 예정이다. SNE리서치는 전기차용 배터리 시장이 25년 기준 1,243GWh, 연평균 46.7%로 성장을 예상했다.

전세계를 기준으로는 지난해 약 250만대의 전기차와 플러그인 하이브리드가 팔렸다. 글로벌시장조사업체에 따르면 올해는 판매량이 전년과 비교해 70%가량 상승될 것으로 예상되고 있다. 2030년 경에는 운행 자동차 중, 약 8%가 전기차로 추측되며 2040년에는 약 30%가 전기차일 것이란 전망도 나온다.

이에 따라 해당 차에 사용된 배터리의 수명이 다해 교환 및 폐기 시점이 도래할 것이며 폐 배터리 또한 기하급수적으로 늘어날 전망이다. 하지만 기존의 가솔린 차량이 약 95%까지 재활용이 가능한 반면, 전기차는 복잡한 재활용 과정과 많은 비용과 시간이 들어 재활용 및 재사용에 어려움이 있다.

전기차에 사용되는 배터리는 평균적으로 약 5년에서 10년 사용 후 폐기가 결정되며, 초기 전기차 시장이 11년 경 형성된 점을 미루어보아 2020년 이후, 사용되고 남은 폐배터리의 처리 문제와 재활

용 및 재사용에 대한 수요가 증가할 것으로 보인다.

SNE리서치에 따르면 글로벌 폐 배터리 시장은 2019년 기준 1조6,500억원(15억달러)에서 2030년 약 20조 2000억원(181억달러)로 10배 이상 늘어날 것으로 전망된다.

■재활용, 친환경·비싼 원재료 확보 긍정적

전기차 폐 배터리 사업은 재활용(Recycling)과 재사용(Reuse) 방식으로 크게 두 가지로 분류될 수 있다.

재활용은 배터리를 분해해 코발트, 리튬 등의 핵심 물질을 추출해 재활용하는 방식이다. 재사용은 폐 배터리의 상태를 확인해 평가후 ESS(에너지저장장치)나 UPS(비상시 전원공급 장치)로 용도를 변경해 활용한다.

전기차의 배터리는 충전 능력이 초기의 70% 이하로 떨어지면 운행상의 문제로 배터리 교체가 필요하다. 주행거리와, 충전 및 방전 속도가 급속히 떨어져 전기차로 사용하기가 어렵기 때문이다.

하지만 교체 대상 배터리는 70% 수준의 용량을 여전히 갖고 있기 때문에 재활용과 재사용이 가능하다. 생산원가의 40%에 달하는 배터리를 효율적으로 다시 사용하는 것은 업계의 큰 과제이자 주요 이슈가 되고 있다.

ESS와 비상전원장치 외에도 전기를 사용한 각종 모빌리티 E-BIKE, 전기오토바이, 전동 킥보드 등에 활용될 수 있다. 해당 모빌리티에서도 사용이 어려울 경우나 불량 배터리의 경우는, 분리 해체하여 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등 희귀금속을 추출해 재활용된다.

전기차 폐 배터리 재활용은 환경을 위한 도움도 되지만 수입에 의존하는 비싼 광물류의 안정적인 재료확보 면에서도 긍정적으로 작용된다.

우선 폐 배터리 내의 중금속, 독성 화학물질 등 유해 물질 회수를 통해 환경적인 편익이 증진된다. 폐 배터리를 땅에 매립하면 배터리 내의 유해물질에 토양과 지하수를 오염시킬 소지가 있으며 소각의 경우, 독성가스배출 등 유해가스로 인한 환경 문제가 발생한다.

배터리를 구성하는 50%는 양극 및 음극 활물질로 구성되어 있는데 대부분 재료가 해외 수입에 의존하고 있는 실정이다. 배터리 재활용을 통해서는 안정적인 재료확보가 가능하다.

전기차의 폭발적인 수요 증대로 인해 전기차 배터리 주요 소재인 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등의 소재 수요 역시 증가하고 있다. 특히 하이니켈계의 차세대 소재 개발 동향에 따라 니켈 수요가 증가하고 수급 역시 이슈가 있다. 이러한 가운데 원재료 재활용은 업계로서는 환영할 일이 아닐 수 없다.

국내외 대표적인 폐 배터리 재활용 기업은 한국의 성일하이텍, 벨기에의 유미코아, 중국의 Rrunp, GEM 등이다. 이외에도 한국의 GMtech, FUYO, 코스모(일본) 등이 있다.

국내 업체인 성일하이텍의 경우, 코발트 기준으로 연 1천톤을 생산하며, 재활용되는 원료는 코발트, 니켈, 리튬, 망간, 구리 등이다.

지난 6월 중순 코엑스에서 개최된 인터배터리 2021전시회를 찾은 문승욱 산업부 장관이 행사에 참여해 처음 찾은 기업이 ‘성일하이텍’이었다는 점도 시사하는 바가 크다. 성일하이텍은 전기차 폐 배터리를 수거, 희귀금속을 추출한다. 모바일이나 노트북 등에 사용되는 소형 폐배터리 재활용사업도 진행 중이다.

성일하이텍은 삼성SDI와 거래하는 등 국내 주요 기업 뿐 아니라 헝가리와 중국 등 세계 시장에도 진출했다. 배터리 생산 공장에서 발생하는 불량 배터리를 수집해, 재활용하고 있다. 배터리 생산 공장의 설비가 구축되더라도 양산 초기, 한동안 낮은 수율로 불량률이 꽤 높아 상당량 불량 배터리가 발생하는데 이를 가져와 재활용하는 것이다.

그러나 아직 미흡한 점도 많다. KDB 미래전략연구소 산업기술 리서치센터의 리포트에 따르면, 전기차 폐 배터리 재활용 시장의 활성화를 위해서는 극복해야 할 여러 산들이 있다. 우선 폐 배터리에 대한 관련 법령 체계가 제대로 수립되어있지 않아 배터리 수집 및 운송에 어려움이 있다.

전기차 폐 배터리는 대기 환경 보전법에 따라 각 지자체에 반납하고 있는 실정이나 반납 이후 관리 체계가 미비한 상황이다. 현재는 지방자치단체나 환경부가 폐 배터리를 위임 받아 민간업체에 위탁 창고에 보관 중인 상태다. 또 배터리 폭발 위험이 있기 때문에 안전성을 확보하는 이동 체계 등 관련 전반 시스템이 필요한 상황이다.

■완성차 업체 중심 배터리 재사용 활발

전기차 폐 배터리 재사용(Reuse)은 팩, 모듈, 셀 단위로 분해해 활용하는 것이다. 초기 설정된 배터리의 용량 대비 70%이하로 저하된 성능의 배터리는 전기차 용도로는 사용할 수 없다. 하지만 용도를 변경하면 3년에서 10년까지도 충분히 더 활용이 가능하다.

성능이 저하된 배터리는 급제동, 가속 등 고출력을 요구하는 자동차엔 쓰이지 못하지만 고출력을 요구하지 않는 경우는 그 쓰임이 많다.

전기차 배터리 재사용 시, 배터리는 팩 단위 뿐 아니라 하위 단위까지 분해해 활용이 가능하다. 배터리 셀, 모듈, 팩 단위로 분해가 가능하나 점점 더 작은 단위로 갈수록 비용 및 시간이 증가하며, 큰 단위로 갈수록 불량률이 높아지는 문제가 있다.

좀 더 효율적인 재사용을 위해서는 작은 단위로서의 모듈 및 팩 단위의 재사용 기술 개발 및 연구가 필요하다.

전기차 배터리의 재사용 사업은 완성자동차 업체 중심으로, 연구개발 초기 단계다. 상업 활용을 위해서는 더 많은 논의와 안전성 검토가 필수적인 상황이다.

폐 배터리 재사용 방식은 자원순환 제고, 비용절감 등에 효과적이다. 시장조사업체의 견해에 따르면 재사용 폐 배터리의 판매가는 신규가의 30~70% 가량으로 분석된다. 배터리 가격은 지속적으로 하락세에 있다. 재사용 배터리 가격 또한 점차 내려갈 것으로 예상된다. 다만 신규 배터리 가격 하락과 폐배터리 불량률, 불안정성을 감안해야한다.

최근 ESS 등의 화재사고 등으로 배터리 안전성 이슈가 부각되고 있다. 배터리 재사용 부분도 해당하는 문제다. 2017년 8월부터 19년 5월 간 총 23건의 배터리 관련 화재사고가 발생했으며 산업부는 안전성 기준을 마련, 이에 대응하고 있다.

재사용 관련 배터리 사용 사례는 국내외 완성차업체들을 중심으로 진행 중이다. 국내의 경우엔 2017년 현대차가 폐배터리와 신규 배터리를 결합해 ESS를 제조했다. 국외는 GM, BMW, NISSAN 등이 재사용을 위한 연구 중인 것으로 알려져 있다.

■포스코·두산重 등, 재활용 사업 진출 러시

최근 국내를 중심으로도 폐배터리 재활용 관련 기업들의 발표가 이어지고 있다. 배터리사에 주요 소재를 공급하는 에코프로그룹은 전기차 배터리 리사이클링 신사업을 올 상반기부터 본격 가동했다. 회사는 LG에너지솔루션으로부터 폐배터리를 공급받아 배터리 소재로 재활용하고, 삼성SDI,SK이노베이션과도 사업협력을 강화해 나간다.

이에 따라 에코프로씨엔지 공장에서 연간 2만톤 규모의 폐배터리를 재활용한다. 국내외 발생 폐배터리를 수집, 이를 분쇄해 전처리 후 분말로 만들어 후처리 공장에서 코발트, 니켈, 망간, 등 주요광물을 추출해 전구체와 양극재를 생산한다는 방침이다. 에코프로씨엔지는 LG에너지솔루션 폴란드 및 오창공장에서 폐배터리를 공급받을 예정이다. 폴란드 공장은 유럽 최대 배터리 공장으로 생산능력이 100GWh다.

포스코는 올해 5월말 중국 화유코발트회사와 합작해 배터리 재활용사업을 추진한다. 포스코는 세계적인 광물 정련, 정제기술을 보유한 중국 화유코발트사와 65대 35 지분비율로 포스코HY 클린메탈을 설립했다. 포스코 HY클린메탈은 배터리 리사이클링 사업을 위해 광양시 경제자유구역 율촌산업단지에 1,200억을 투자, 연간 1만톤 규모의 블랙파우더를 처리하는 생산라인을 올해 착공예정이다.

또 지난 3월 폴란드에 법인을 설립하며 폐배터리 재활용을 위한 해외기지를 세웠다. 폴란드 법인은 유럽 배터리공장에서 배출되는 폐배터리를 가공하는 생산기지역할을 한다. 폴란드에는 LG에너지솔루션과 SKEIT 등 배터리 업체들의 생산시설이 집중돼있다.

폐 배터리스크랩을 블랙파우더로 가공하는 역할을 하는 법인이며 블랙파우더는 배터리 스크랩 파쇄시 나오는 니켈, 리튬, 코발트, 망간 등이 함유된 검은 분말이다. 포스코는 배터리 소재사업을 미래 먹거리로 설정한 바 있다.

LG에너지솔루션은 제너럴모터스와의 합작법인 얼티엄셀즈가 북미 최대 배터리 재활용 업체인 리-사이클과 폐배터리 재활용 계약을 맺은 바 있다. 이에 따라 셀 제조과정에서 발생되는 폐 배터리 안의 코발트, 니켈, 리튬, 흑연, 구리, 망간, 알루미늄 등 재료가 재활용된다.

또 전기차 배터리 제조, 활용, 재사용 등으로 이어지는 배터리 생애주기서비스 ‘BaaS’(Battery As A Service)를 진행 중이다.

삼성 SDI는 배터리 및 전력 IT기업 피엠그로우에 투자 등에 힘쓴다. 피엠그로우는 사용기한이 된 폐배터리를 전기차 충전에 쓰이는 에너지저장장치로 전환하는 사업을 추진한다.

SK이노베이션은 배터리 재활용 실증사업을 진행했다. 독자개발한 기술을 활용, 금속을 회수해 양극재 제조에 활용한다는 계획이다.

두산중공업은 폐 배터리에서 탄산리튬을 회수하는 기술을 개발, 화학제를 쓰지 않는 자체적인 공법을 개발, 올해 하반기부터 연 1,500톤 규모 폐배터리 처리 설비 실증을 추진하고 순도 99%의 탄산리튬을 생산할 계획이다.

▲ 4가지 배터리 재료의 세계 시장 점유율(2020년)

▲ xEV 배터리의 셀 비용 구조

▲ 리튬이온전지 재료별 글로벌 시장 전망(SNE리서치)

*참고자료 : kdb 미래전략연구소 산업기술리서치센터 이슈 브리프 '폐배터리 활용현황과 시사점'

SNE리서치