자동차는 세계적으로 전기 구동화가 가속화되면서 자동차용 2차전지 수요가 확대되고 있으며 원료 확보를 위한 움직임이 활발해지고 있다.
일본은 2차전지를 탑재한 전기자동차(EV) 등 차세대 자동차가 보급됨에 따라 자동차재자원화협력기구를 중심으로 무상회수체제를 만들어 2018년 10월 운용을 시작하는 등 자동차용 2차전지 재활용(Recycle) 시스템을 구축하기 위한 움직임을 본격화하고 있다.
일본 비철금속 생산기업들은 배터리 원료 확보, 폐 LiB(리튬이온전지) 처리를 목표로 기술 및 사업 인프라를 활용해 회수-운송-분석-재생 과정을 아우르는 EV to EV의 폐쇄형 루프 재활용(Closed Loop Recycling)을 실현하기 위한 기술 개발에 힘을 기울이고 있다.
EV 보급으로 재활용 기술 개발 활발
EV는 세계 최대의 자동차 시장인 중국을 시작으로 유럽, 인디아 등이 국가 차원에서 보급에 박차를 가하고 있다.
일본 정부도 차세대 자동차 전략 2010을 통해 2020년 HV(하이브리드자동차)를 20-30%, EV/PHV(플러그인하이브리드자동차)를 10-20%, 2030년 HV를 30-40%, EV/PHV를 20-30% 보급하겠다는 목표를 세우고 있다.
일본은 사용가능연수를 나타내는 내용연수 등에 따라 2025년 무렵부터 폐자동차(ELV)가 본격 발생해 2030년 약 100만대를 돌파할 것으로 예상하고 있으며 2차전지에서 회수되는 코발트 및 니켈도 연평균 총 1000톤에 달할 것으로 예측하고 있다.
LiB는 양극재, 음극재, 전해액을 알루미늄 또는 철제 외장용기로 덮은 구조로 양극재는 니켈, 코발트, 망간, 리튬 등을 함유하며 음극집전체로 구리박, 양극집전체로 알루미늄박을 사용하고 있다.
자동차용 삼원계 LiB는 스크랩 소성 후 알루미늄 비율이 31.0%로 가장 높고 구리가 23.8%, 탄소가 20.1%로 뒤를 잇고 있다.
이에 따라 LiB를 재활용하기 위해서는 구리를 시작으로 니켈, 코발트, 리튬 등 유가금속을 높은 비율로 회수하고 공존물질로 함유되는 LiPF6(Lithium Hexafluorophosphate) 등 처리가 어려운 유기전해액, 망간, 철 등을 분리‧처리하는 기술을 개발할 것이 요구되고 있다.
폐LiB는 현재 방전, 분해, 열처리, 선별 등 자원회수를 거쳐 인공골재 및 제철용 원료, 비철제련 기술에 따른 금속회수 등의 형태로 물질적 재활용이 이루어지고 있다.
EV to EV를 실현하기 위해서는 경제성 확보와 동시에 배터리 소재로 사용할 수 있는 품질 확보가 필수적이며 2019년 상반기 60.6% 폭락한 코발트 가격과 같이 급격한 시황 변동에 좌우되지 않는 시스템 구축이 요구되고 있다.
MMC, 종합 시스템 구축으로 차별화
Mitsubishi Materials(MMC)은 자동차재활용법에서 LiB가 사전회수물로 지정된 2012년 무렵부터 재활용 기술 연구개발(R&D)에 착수해 위험물로 취급되는 폐LiB 수송기술을 포함한 종합 시스템 구축을 추진하고 있다.
재사용(Reuse)을 고려한 자동차용 LiB 열화도 진단기술로 배터리 열화도를 단시간에 정확하게 측정할 수 있는 진단기술을 보유한 Goiku Battery와 공동으로 실증시험을 시작하는 등 기술력을 보유한 외부기업과도 적극적으로 제휴하고 있다.
재활용과 관련해서는 방전, 열처리에 따른 무해화, 해체 및 물리적 선별, 용매추출법을 이용한 유가금속 회수기술을 개발했다.
물리적 선별은 양극집전체인 구리/알루미늄박과 활물질을 분리하는 기술을 확립해 2019년 4월부터 Nippon Magnetic Dressing의 히비키(Hibiki) 공장에 처리능력 2톤의 파일럿 설비를 건설해 실증시험을 진행하고 있다.
공동개발 사업이 종료되는 2020년 4월 이후 사업화를 검토할 방침이며 코발트‧니켈 기준 40-50톤 생산설비를 건설하는 방안을 고려하고 있는 것으로 알려졌다.
중앙연구소에서는 용액으로 회수되는 니켈 및 코발트를 베이스로 배터리 소재는 물론 초경질 합금으로 만든 공구인 초경공구 등 다른 용도에 적합한 원료화 기술을 개발하고 있다.
기존 프로세스에 비해 코스트 효율 및 품질을 향상시켜 재활용 원료 채용분야를 확대함으로써 시황 변동에 좌우되지 않는 체제를 구축하겠다는 목표를 세우고 있다.
MMC는 2022년 폐LiB 재활용을 사업화할 예정이며 종합적인 솔루션을 제공함으로써 경쟁우위를 점하려는 전략을 추진하고 있다.
SMM, 양극재 관련기술로 재활용 도전
일본에서 유일하게 니켈 제련설비를 가동하고 있는 Sumitomo Metal Mining(SMM)은 광석부터 양극재까지 수직계열화하고 있는 강점을 바탕으로 배터리 소재 사업을 운영하고 있다.
자동차용은 NCA(니켈‧코발트‧알루미늄) 4550톤 생산체제를 구축하고 있으며 2024년 중기 경영계획 기간에 NCA, NMC(니켈‧망간‧코발트), 수산화니켈을 포함한 총 생산능력 12만톤 설비를 건설할 계획이다.
새로운 광원을 확보함과 동시에 장기적인 수요 증가에 대응하는 방안으로 EV to EV를 실현하는 재활용 프로세스 기술도 개발하고 있다.
SMM은 2017년부터 열처리 등으로 무해화한 폐LiB와 제조공정에서 발생한 폐재에서 구리 및 니켈을 회수하기 시작했다.
도요(Toyo) 공장의 건식 구리 제련공정에서 전기구리를, 니켈 공장의 습식 니켈 제련공정에서 황산니켈을 회수하는 것으로, 원료의 불순물 농도를 관리함으로써 구리와 함께 니켈 회수에 성공해 경제성이 대폭 향상된 것으로 파악되고 있다.
2019년 3월에는 파일럿 설비를 건설해 LiB에 함유된 불순물을 일괄적으로 분리한 후 니켈, 코발트, 구리 합금을 선택적으로 회수하는 건식 제련공정 실증시험을 시작했다.
습식 제련공정과 조합해 코발트 재활용에도 착수했다.
파일럿 설비는 일일 처리능력이 1톤으로 최소 1년의 시험기간을 거쳐 실용화할 계획이며 용액 상태에서 코발트 및 리튬을 회수하는 기술도 개발할 방침이다.
SMM은 양극재를 생산하면서 축적한 지식 및 노하우를 토대로 배터리 성능과 관련된 불순물 관리 기술을 확립함으로써 재활용 시스템의 경제성을 향상시키겠다는 목표를 세우고 있다.
Dowa, 회수자원 부가가치화 추진
자동차용 LiB 재활용 사업을 선행하고 있는 Dowa Holdings은 폐기물 중간처리기업 Dowa Eco-System을 통해 폐LiB 및 공정 폐기물의 열처리에 따른 무해화, 선별 등 자원회수를 사업화하고 있다.
산업폐기물 처리용으로 가동하고 있는 소각로에서 열처리한 후 철과 철 이외의 금속혼합물로 분리하고 있으며 금속혼합물은 그룹기업인 Meltec이 건설자재용 인공골재, 제련용 원료로 재활용하고 있다.
Dowa가 채용하고 있는 프로세스는 우선 열처리함으로써 화재와 감전 위험성을 배제하고 열처리 후에 자원회수를 일원화함으로써 효율적인 재활용을 실현한 특징이 있다.
사람이 개입하는 일반적인 프로세스는 작업상 리스크가 있을 뿐만 아니라 다른 규격 및 불량품에 대한 대응이 어렵고 열처리 전후에 회수절차가 발생해 코스트가 높아지는 단점이 있다.
아울러 Dowa는 그룹에 고정바닥식, 직투형, 터널형 소각로를 보유하고 있어 셀, 모듈, 팩에 전부 대응할 수 있으며, 특히 재활용에 필수적인 단품 처리가 가능한 고정바닥식 소각로를 보유하고 있는 것이 최대 강점으로 부각되고 있다.
처리공장인 Eco-System Akita, Eco-System Sanyo는 일본 자동차공업협회가 운영하고 있는 LiB 공동회수 시스템의 위탁처리시설로 사용되고 있다.
최근에는 폐기물 처리비용 절감을 목표로 프로세스 고도화를 추진하고 있다.
현재 채용하고 있는 프로세스에 용매추출 등 새로운 공정을 추가함으로써 탄산리튬, 양극재 프리커서 원료 등을 회수하는 고부가가치 기술을 개발할 방침이다.
Dowa는 폐기물 처리 사업을 바탕으로 비철금속 제련기술을 조합함으로써 폐LiB 재활용 시스템 분야에서 독자적인 지위를 확보하겠다는 목표를 세우고 있다.
JXNMM, 고품질 회수기술 확립 박차
JX Nippon Mining & Metals(JXNMM)은 2010년부터 쓰루가(Tsuruga) 공장에서 스마트폰, 컴퓨터 등 소형기기용 배터리에서 금속 코발트 및 니켈을 회수하기 시작했다.
배터리 중량 기준으로 연평균 600-1000톤의 폐LiB를 재활용하고 있으며 금속 코발트는 회수량이 100톤을 넘고 있다.
재활용이 어려운 것으로 알려진 리튬도 탄산리튬 형태로 회수하는 기술을 확립했다. 
JXNMM의 재활용 기술은 폐LiB에서 추출한 배터리 가루를 원료로 용매 추출에 따라 유가금속을 회수하는 습식공법으로, 금속으로 회수함으로써 1차 이용이 가능한 품질 및 순도를 실현하는 것으로 알려졌다.
2012년에는 JX Kinzoku Tsuruga Recycle이 양극재 처리능력 월 50톤인 설비를 가동하기 시작했다. 금속 회수량은 니켈 6톤, 코발트 10톤, 망간 6톤, 탄산리튬 10톤으로 파악되고 있다.
최근에는 배터리 소재로 이용할 수 있는 상태 및 품질로 회수하는 기술을 개발하고 있다.
회수하거나 재이용할 때의 에너지 소비 및 공정 감축을 목표로 황산염으로 재활용하는 기술을 개발하고 있으며 이미 기초기술을 확립한 것으로 알려졌다.
히타치(Hitachi) 소재 기술개발센터에 실증설비를 건설해 2019년 가을 기술 확립을 위한 2단계에 진입했다.
JXNMM은 최근 새롭게 마련한 40년 장기비전에서 구리를 중심으로 업스트림부터 다운스트림까지 일괄적으로 경영하던 체제에서 사회에 필요한 첨단소재 제안 및 공급에 주력하는 기술입각형 경영체제로 전환하겠다는 목표를 세웠다.
특히, 폐LiB 재활용은 차별화할 수 있는 집중사업으로 설정했으며 기술공급 등에 따른 글로벌화를 포함해 EV to EV의 폐쇄형 루프 리사이클 시스템 구축에 힘을 기울일 방침이다. (J)
