폐이차전지 재활용 기술 중 전천리 공정에서 중요도가 높은 수요 기술은 파분쇄 단계에서 발생하는 열폭주를 예방하는 것이다. 원활하게 공정을 운영하도록 산업 현장의 안전성은 필수로 확보해야한다. 그러나 이차전지는 높은 에너지와 전해액, 흑연 등 연료 물질을 함유하고 있다.
이에 따라 특정 온도와 물리적 충격에 열폭주가 발생할 수 있으며 산업 현장에서 매우 치명적인 문제를 일으킬 수 있다. 실제로 이차전지는 전기차를 중심으로 다양한 열폭주 사례를 발생시킨 바 있다.
폐이차전지 전처리 공정에서는 파분쇄를 진행할 때 물리적 충격과 마찰로 열이 발생한다. 열폭주 발생 우려가 높기 때문에 폐이차전지 재활용 전처리 단계에서 열폭주를 예방하는 기술개발이 중요하다.
전처리 단계에서는 물리적 분리 기술의 중요성도 높다. 물리적 분리 기술은 전처리 단계에서 최종 생성물인 블랙파우더 내 양극재 함유량을 높이는 것에 기여한다. 블랙파우더 내 양극재 함유량이 높을수록 후처리 공정에서 공정 부하와 폐기물을 저감할 수 있다. 이외에도 전처리 단계에서 해체 자동화나 대기 오염물질 폐기물 저감 기술도 중요도가 높다고 여겨진다.
후처리 단계에서 중요성이 높은 기술은 습식 제련 기술이다. 습식 제련 중 침출 단계에서는 침출 약품 사용량 감소의 수요가 높다. 예를 들어 배터리 1대 침출 시 해당 무게의 5~50배가량 고농도 황산이 사용된다. 이는 산 폐수 또는 고농도 망초 폐수 발생을 유발한다. 침출 약품 사용량 감소 기술은 환경 처리 비용을 고려할 때 중요도가 높다. 따라서 침출 약품 사용량 감소 기술은 환경 처리 비용을 고려할 때 중요도가 높다.
습식 제련 기술 중 선택적 분리 기술은 최종 생성물인 귀금속 화학물의 순도와 회수율을 높이는 데 기여한다. 현재 산업적으로 양극재 구성을 삼원계 양극재에서 리튬인산철계 양극재, 하이 니켈계 양극재, 블랜등 양극재로 전환 중임을 고려할 때 지속적으로 선택적 분리 기술 개발이 동반되어야한다.
국내 폐이차전지 재활용 특허 출원 동향을 살펴보면 모든 재활용 분야에서 산업계가 출원을 주도하고 있다. 폐전지 방전, 폐전지 해체는 다른 기술 대비 상대적으로 학계와 연구계 비중이 높은 편으로 나타나지만 여전히 미진하다. 이에 따라 국내 폐이차전지 기술 개발을 주도하는 기업의 동향을 파악하는 것이 중요하다. 국내 폐이차전지 재활용 전문 기업으로는 성일하이텍, 포스코홀딩스/포스코HY클린메탈, 새빗켐 등이 있다.
성일하이텍은 폐리튬이온 배터리에서 리튬, 니켈, 코발트, 망간 같은 유가 금속 회수와 재활용을 전문으로 하는 기업이다. 성일하이텍 공정은 용매추출법을 기반으로 고순도 금속 회수 효율이 매우 높다는 특징이 있다. 성일하이텍의 재활용 프로세스에는 초기 검사와 분류 단계가 포함되며 배터리를 유형과 상태에 따라 분류해 기계적 공정을 거쳐 배터리 구성 요소를 분쇄하고 분리하는 공정이 있다. 또한 화학적 처리로 리튬, 코발트, 망간 등 귀중한 금속을 추출하는 습식 제련 공정 기술을 보유하고 있다.
포스코홀딩스는 폐이차전지 자원화를 위해 ‘포스코HY클린메탈’을 설립하고 황산니켈과 수산화리튬 등 유가금속의 재활용을 추진하고 있다. 포스코HY클린메탈은 배터리 생산과정 중 발생하는 스크랩을 수거해 분쇄하고 열처리를 거쳐 중간재인 블랙파우더를 제조한다. 열처리된 블랙파우더는 유기물 함량이 줄어들어 습식 제련 공정에 부하를 감소시킬 것으로 기대된다. 이러한 공정과 함께 2030년까지 리튬, 니켈, 코발트를 각각 3만, 3만, 1만톤까지 생산하는 것을 목표로 한다.
세빗켐은 폐이차전지, 양극재 공정 불량품에서 전구체 복합액, 리튬화합물을 생산하는 기술을 보유하고 있다. 전구체 복합액은 유가금속을 회수해 제조하며 고객사의 요청에 따라 니켈, 코발트, 망간 비율을 조절해 95% 이상 니켈코발트망간 황산복합액을 생산하는 기술을 가진다. 또한 순도 높은 탄산리튬과 인산리튬 형태로 추출할 수 있다고 보고된 바 있다.
해외의 경우에는 특허출원 건수가 전 세계에서 꾸준하게 증가하고 있으며 2016년 이후 중국 출원인 증가율과 점유율이 매우 높게 나타나고 있다. 다만, 중국의 특허는 특허 영향력이나 시장 확보력 측면에서 타 선진국 대비 부족하다. 특허 영향력이란 특허가 이후 기술 혁신 활동에 어느 정도 영향을 미쳤는지 보여주는 지표다. 피인용률이 높은 특허일수록 특허의 기술적 가치, 중요도, 영향력이 높은 것으로 판단했다고 보고된다. 시장 확보력이란 패밀리 국가 수를 바탕으로 특허의 보호의 지역적 범위를 측정함으로써 특허 자체가 지닌 한국의 양적 영향력을 판단하는 지표다. 시장 확보력 측면에서는 유럽, 특허 영향력에서는 한국이 우위에 있다고 알려졌다.
미국의 폐이차전지 재활용 특허 출원 동향을 살펴보면 모든 재활용 분야에서 산업계가 출원을 주도하고 있다. 재사용 선별 기술은 다른 기술 대비 상대적으로 학계와 연구계 비중이 약간 높은 편으로 나타나지만 여전히 부족하다. 따라서 미국의 폐이차전지 기술 개발을 주도하는 기업의 동향을 파악하는 것이 중요하다.
Toxco로 알려졌던 리트라이브는 리튬과 기타 복합 배터리 재활용을 전문으로 하는 배터리 재활용 분야의 선두업체다. 리트라이브 프로세스에는 추가 처리 전에 리튬 배터리를 안전하게 파분쇄하는 독점 극저온 기술이 포함된다. 그 후 기계, 건식·습식 제련 공정을 조합해 유가금속 물질을 추출한다. 리트라이브 극저온 공정은 휘발성 리튬 배터리를 취급할 때 안전성과 효율성을 보장하는 리트라이브의 고유 기술이다.
중국에도 모든 재활용 분야에서 산업계가 특허 출원을 주도하고 있다. 그러나 중국은 한국, 미국 대비 학계, 연구계 특허 출원 비중이 높은 편으로 나타난다. 폐전지 검사, 건식·습식 제련에 대한 학계/연구계 출원율이 40% 이상이다.
중국의 대표적인 폐이차전지 재활용 기업은 화유코발트이다. 화유코발트는 금속 생산과 가공 서비스를 제공하는 업체이며 양극재 전구체 생산 기술을 보유해 이차전지 재활용 기술과 함께 수직 계열화가 용이하다는 특징이 있다. 화유코발트는 양극재 분리 기술을 보유한 한국기업 TMC의 주요 공급업체이자 주주이기도 하다. 코발트 판매는 회사 매출의 66%를 차지하며 세계 2위 코발트 공급사로서 지위를 확립하고 있다.
유럽의 폐이차전지 재활용 특허 출원 동향을 살펴보면, 산업계가 출원을 주도하고 있다.
벨기에의 유미코어는 폐이차전지 재활용 공정에서 건식 제련 기술을 열폭주 대응 기술로 적용하는 특징이 있다. 예를 들어, 경쟁사들이 염수 분사 파분쇄, 무산소 파분쇄, 공랭식 파분쇄 등을 적용하지만 유미코어는 건식 제련 공정을 선행해 열폭주 원인 물질인 전해액을 선제적으로 제거한다.
또한 15만톤 규모 배터리 재활용 공장을 설립해 배터리 재활용을 확대하고 있으며 이는 세계에서 가장 큰 배터리 재활용 공장 규모이다. 해당 공장에는 유미코어의 독자적 기술을 사용할 예정이며 니켈, 리튬, 코발트, 구리를 가장 순수한 배터리 등급 형태로 효율적으로 회수할 수 있다고 보고된다.독일의 뒤센펠드는 기계적, 열역학적, 습식 제련 과정을 결합한 공정을 사용하며 낮은 에너지 소비로 높은 재료 회수율을 달성하며 일반 금속뿐만 아니라 흑연, 전해질, 리튬도 회수하고 있다. 기계적 재활용에서 재활용률 72%를 달성할 뿐만 아니라 습식 제련 공정으로 재활용률을 90% 이상 높일 수 있다고 보고된다. 뒤센펠드는 지속적으로 공정을 최적화하기 위해 연구에 투자하고 있다.