배터리 리사이클링 | 기대와 현실 사이

경기는 꺾이고 있으나 전기차 판매량은 견조한 모습입니다. 금리인상의 여파가 본격화되면 전기차 판매량도 어쩔 수 없이 꺾이겠지만, 우상향 추세를 지키면서 사이클을 그려나갈 것이라는 점은 어렵지 않게 예상할 수 있을 것입니다. 그런 관점에서 폐배터리 리사이클링 사업은 앞으로 돈이 될 것이라는 기대감이 많은 상황입니다. SK증권에서 나온 리포트 "배터리 리사이클링 : 10년 후의 당신이 보낸 한 마디" (2022-08-05 / 윤혁진, 김도현)를 정리해봅니다.

 

 

 

 

| 전기차 판매량, 배터리 수요 성장률

ㅁ 전기차 판매량

  ㅇ '21년 기준 글로벌 전기차 판매량 647만대 (YoY 111%) / 전체 자동차 판매량 대비 EV 판매 비중 8.6%

  ㅇ 1Q22 기준 글로벌 전기차 판매량 198만대 (YoY 76%) / 연간 970만대 판매 예상

  ㅇ '25년 기준 글로벌 전기차 판매량 2,237만대로 예상 / 전체 자동차 판매량 대비 EV 판매 비중 22.5% 예상

   >> '25년까지 전기차 판매량 CAGR 36%

 

ㅁ 배터리 수요

  ㅇ '21년 전기차 배터리 수요(용량 기준) 271GWh  ->  '25년 1,458GWh 예상

   >> '25년까지 배터리 수요 CAGR 52%

 

ㅁ 글로벌 배터리 총 생산능력

  ㅇ '21년 글로벌 배터리 총 생산능력 656GWh (국내 3사 233GWh)  ->  '25년 2,263GWh (국내 3사 856GWh) 예상

   >> 수요 대비 캐파가 훨씬 많다는 점은 별도 확인 필요

 

 

현재까지는 폐배터리가 많이 발생하고 있지 않은데, 그 이유는 배터리 수명이 7~10년 정도이기 때문입니다. 그래서 전기차가 본격적으로 팔리기 시작한 시점을 감안하면 '25년, 중국에서부터 유의미한 수량의 폐배터리가 발생합니다.

 

현재 리사이클링 시장의 주원료는 셀 스크랩(manufacturing scrap) 입니다. 셀 스크랩은 쉽게 말하면 배터리 제조 과정에서 발생하는 부스러기 정도로 보시면 되겠습니다. 배터리 수율 98% (스크랩 발생율 2%) 가정 시 '21년 기준 셀 스크랩은 약 4만톤 발생했습니다. 이게 '25년이 되면 14만톤까지 증가한다는군요.

 

셀 스크랩 발생량도 증가하지만 폐배터리 발생이 급증하는 '25년 이후 시점이 되면 폐배터리가 리사이클링 시장의 주원료 1등이 된다고 합니다. '27년 즈음 유럽에서, 그리고 그 이후에는 미국에서 폐배터리 발생이 본격화된다고 합니다.

 

 

 

 

 

| 배터리 "재사용"과 "재활용" 차이

이 즈음에서 리사이클링의 주요 유형 2가지, 재사용과 재활용에 대해 정의하고 가겠습니다.

 

 

"재사용" 은 SoH(State of Health : 배터리 상태를 점수화한 것)가 감소한 중대형 배터리를 ESS 및 UPS(무정전 전원공급장치) 등에 적용하여 사용하는 방식 입니다. 성능 저하로 인하여 전기차에서 사용하기엔 무리이지만, 사용영역을 달리 하면 여전히 쓸만한 배터리를 다시 쓰는 겁니다. SoH 60% 가 기준점이라고 하는군요.

 

 

https://n.news.naver.com/mnews/article/648/0000009674?sid=101

[르포]폐배터리에 새생명을 불어넣는 사람들

 

"재활용" 은 폐배터리를 분리, 분해, 파쇄하고 열 및 화학적 처리 등으로 핵심소재, 금속 등을 회수하는 방식입니다. SoH 60% 미만 폐배터리 대상으로 셀 단위에서 분해 및 소재 추출을 진행합니다.

 

 

'21년 글로벌 리튬이온 폐배터리 재활용 비중 5% / 재활용 리튬 소재 사용률 2.7% / 재활용 코발트 소재 사용률 4.7% 로 선진국의 납축전지 재활용률 98% 대비 재활용 수준이 저조한 상황입니다. 이는 같은 리튬이온 배터리라도 공급 원료가 제조사별로 다르고, 규격화가 어려우며, 재활용 기술 상용화가 덜 되어있기 때문입니다.

 

이에 따라 각 국에서는 폐배터리 문제 관련 법제화와 기술투자를 진행하고 있으며, SAE(국제자동차기술협회) 등에서 배터리 규격화와 공정개발을 논의하고 있습니다.

 

 

 

| 폐배터리 관련 각 국의 정책

ㅁ EU

  ㅇ '27년 하반기부터 배터리별 탄소배출치 제한(0.54kg ~ 1.04kg/kWh)

  ㅇ '30년부터 재활용 금속 최소 함량 규정 시행 (코발트 12%, 리튬 4%, 니켈 4%)

ㅁ 미국

  ㅇ '25년까지 배터리 재활용 정책과 프레임워크 마련 계획

  ㅇ 현재 배터리 수거 및 재처리율 5% 수준을 장기적으로 90%까지 끌어올릴 계획
       >> 중국에 대한 소재 의존도를 낮추기 위한 목적

ㅁ 국내

  ㅇ 폐배터리 처리 규정은 있으나 재활용 & 재사용 정책은 논의 중

  ㅇ '20년 12월말까지 보조금 받은 전기차 배터리는 지자체 소유이므로 거점 수거센터에 반납 의무 있음

       >> '21년 이후 전기차 구매한 경우 전기차 소유자에게 배터리 소유권 귀속 (그러나 거점 수거센터에서 배터리 폐기)

 

 

 

 

| 중국의 정책 사례

ㅁ 국가 표준으로 배터리 셀, 모듈, 팩 사이즈, 차종별 배터리 크기, 배터리 재료 표시방법, 회수방법, 보관, 운송, 잔여성능검사, 해체에 이르는 전 과정을 규격화하여 관리

 

ㅁ 리사이클링 산업을 통해 해외 자원 의존도를 낮추고자 하는 의도

  ㅇ 참고로 '21년 중국의 배터리 소재 제련 비중은 리튬 57.6%, 니켈 35.3%, 코발트 64.6%, 흑연 70.4% 로 상당한 수준

 

ㅁ 중국의 폐배터리 리사이클링 전략은 1) LFP 배터리 재사용 2) NCM 배터리 재활용
  ㅇ LFP는 재사용이 경제적

     - NCM에 비해 양극재 구조적 안정성이 우수해 양극재 구조에서 리튬 등을 추출하기 어렵고,

       니켈, 코발트 등 고가 금속이 없어 재활용 수익성 낮음

     - NCM 대비 수명이 더 길다는 특성이 있어 재활용보다 재사용이 더 좋음

     - 중국은 신재생에너지 투자에도 적극적이라 전력관리를 위한 ESS 도입 중이며, 이 과정에 배터리 재사용 필요

     - 배터리 재사용 관리 편의를 위하여 폐배터리 순차사용 도입 계획

     - 순차사용이란 폐배터리 SoH 평가 후 ESS, 통신망 백업 전원, 저속 자동차 등에 재사용하고,

       SoH가 20~30% 까지 감소하면 이를 다시 회수하여 재활용하는 것

     - 배터리 거점별 관리 일원화를 위해 배터리 교환소 확대 정책 진행 중

 

  ㅇ NCM은 재활용이 경제적

     - '21년 기준 글로벌 전기차 배터리 대세는 NCM  ->  전체의 73% (215GWh) 수준

     - LFP가 강한 중국에서도 47% 수준

     - '25년 전후로 폐배터리 발생이 본격화되므로 재활용 사업자 확대를 위한 정책 추진 중

 

 

 

 

| 리사이클링 프로세스 : 개요

 

ㅁ 재사용, 재활용 모두 전공정1(수집, 방전, 분류, 분해, 진단)을 거치며,

 

ㅁ 그 후 재사용은 선별, 검사, 복구, 재편성을 거치고, 재활용은 전공정2(열처리, 파분쇄 등), 후공정(건식/습식)을 거침

 

 

 

 

| 리사이클링 프로세스 : 전공정1 (수거 및 진단)

 

폐배터리를 수집하면 안전을 위하여 이를 방전시킵니다. 그 다음 배터리를 소재, 규격 등의 기준으로 분류하고 배터리팩을 모듈 또는 셀 단위로 분해합니다. 이 과정에서 플라스틱, 외장재(알루미늄, 철), 구리 등의 소재를 재활용할 수 있습니다. 분해 후에는 배터리 잔존수명, 상태 등 종합 진단을 통해 재사용 / 재활용 여부를 결정합니다.

여기서 방전기술은 염수방전, 전자부하방전, 건식회생방전으로 구분됩니다. 저 위에 기사를 보시면 공정의 속도가 문제시 된다는 내용이 나오는데, 방전기술도 속도를 최적화하는 방향으로 병행 사용 & 진화할 것으로 예상됩니다.

 

일반적으로 사용하는 기술은 염수방전 입니다. 방전 속도가 빠르고 대량의 배터리를 방전할 수 있다는 장점이 있으나 폐수가 발생되고 재사용 공정에는 적용이 불가능하다는 단점이 있습니다.

전자부하방전, 건식회생방전의 경우 대용량 배터리를 빠르게 방전할 수 없으나 재사용 공정에 적용 가능합니다. 특히 건식회생방전은 잔류에너지를 활용하므로 원가 절감 효과가 있으면서 환경 친화적이라는 장점이 있습니다.

 

[참고] 배터리 재사용 공정 : 선별, 검사, 복구, 재편성

재사용 판정된 배터리에 대해서는 상태 정밀 검사 진행 후 배터리 안정성 결함을 줄이는 복구 공정을 진행합니다. 이 과정에서 외장, 전극 등을 고친 다음 배터리 셀과 모듈로 재편성하여 최종 검수 후 ESS, 소형 전기차 등에 공급합니다.

 

 

 

 

| 리사이클링 프로세스 : 전공정2 (열처리, 파분쇄 등)

재활용 방식은 1) 양, 음극재 소재 만을 물리적으로 분리하고 복구해 재활용하는 직접 재활용 방식,   2) 배터리 파쇄 후 열(건식), 화학적(습식) 처리를 통해 소재, 금속을 추출하는 방식으로 구분됩니다. 직접 재활용 방식은 아직 양산 사례가 없고, 건/습식 공정은 양산 적용돼 가동 중에 있습니다.

전공정1을 거쳐 재활용 판정된 배터리의 모듈에는 물리적 공정인 열처리, 파쇄, 선별 등의 공정을 적용합니다. 업체별 공정이 다르기 때문에 이러한 여러가지 공정 중에서 선택적으로 공정을 적용합니다.

ㅁ 열처리 공정

  ㅇ 유기용매(NMP; N-MethylPyrrolidone 많이 사용) 등을 배터리 셀에 적용 후 100~200도 열로 가열하여 바인더와 양/음극활물질로 분리

ㅁ 파쇄 공정

  ㅇ 배터리 셀 분리 공정으로 건/습식 파쇄 공정이 있으며, 최종적으로 블랙파우더 생산

     - 주로 건식 파쇄 적용. 습식의 경우 파우더 입경(입자 크기)를 줄일 수 있으나 소재 유실, 공정 난이도 상승 문제 발생

ㅁ 선별 공정

  ㅇ 파쇄된 소재의 물리적 특성에 따라 소재 분리

     - 입경, 밀도, 자기적 특성으로 분리하는데, 이 과정에서 철, 구리, 알루미늄 등 메탈이 분리됨

 

 

 

 

 

 

| 리사이클링 프로세스 : 후공정 (건식)

고온에서 금속을 환원시켜 추출하는 방식으로, 1) 물리적-건식 공정(전처리 공정으로 생산한 블랙파우더를 이용),  2) 건식 공정(물리적 공정을 생략하고 모듈이나 셀 상태로 그대로 진행)으로 나뉩니다.

 

150~500도로 1차 가열해 전해액, 유기용매를 제거하고 2차로 1000도 이상의 열로 가열하면서 환원제(흑연, 코크스 등) 첨가하여 금속을 추출합니다. 용융로 내부에는 밀도차에 따라 하부에는 합금, 상부에 슬래그가 형성되는데, 하부 합금 층에서 메탈 합금을 추출합니다. 니켈, 코발트, 구리 등은 녹는점이 달라 온도차에 따른 추출이 가능하다는군요.

리튬, 망간 산화물은 환원되지 않고 슬래그 형태로 형성되는 관계로 이를 포집하여 산(H2SO4 등) 처리 등을 통해 일부 재활용 가능합니다.

 

 

건식공정은 비교적 간단하고 기존 공정 개발 수준이 높아 공정 난이도는 낮지만, 용융로 가동 비용, 설비 감가상각비 부담이 있고 탄소발생량이 많다는 단점이 있습니다. 공정의 에너지 사용량도 습식 대비 2배 이상 많구요.

리튬과 같은 고부가 메탈 회수율 낮아 수익성이 상대적으로 낮습니다. 그럼에도 불구하고 중국의 건식공정 수익성은 타 국가 대비 높은데, 이는 세제 혜택, 저렴한 인건비와 낮은 에너지 비용 때문입니다.

낮은 메탈 회수율 개선을 위하여 건식공정을 개선하는 연구가 진행 중이긴 하나, 이 경우 공정 난이도가 상승하여 건식공정의 장점이 상쇄되는 관계로 습식 공정 중심으로 산업이 확대되고 있습니다.

 

 

 

 

| 리사이클링 프로세스 : 후공정 (습식)

유/무기용매, 산, 염기 등 화학처리를 통해 금속을 침출(leaching) 시켜 회수하는 방식으로, 1) 침출,  2) 분리 및 회수 공정으로 구분됩니다. 습식공정은 금속 회수율이 높다는 장점이 있으나, 공정 설계 난이도가 높고 세밀한 반응 조건 통제가 필요합니다.

 

ㅁ 침출 공정

 

  ㅇ 무기산(황산, 질산), 유기산(아세트산, 시트르산), 염기(수산화나트륨) 처리 방식 등이 있음

     - 산/염기 용액 처리로 금속 산화를 유발하여 금속이온 상태(수용액)로 침출시키는 공정 

     - 처리 화학물질 별로 침출 효율 차이가 생기므로 폐수처리 비용, 전체 공정 방식에 따른 레시피 등을 고려하여 적용

     - 최근에는 침출 효율 증대를 위해 선택적 침출 공정 혼합 적용

 

  ㅇ 선택적 침출 공정이란, 타겟 메탈을 선택적, 단계적으로 침출시켜 회수율을 높이고 제련 과정을 간소화하는 공정

     - 선택적 침출 공정을 거친 금속이온은 황산니켈, 황산코발트, 황산망간, 황산리튬 형태로 추출됨

     - 용해도 차이를 이용한 침출 공정이 대표적

     - 각 단계에서 특정 화학물질을 처리하고 타겟 메탈의 용해도를 감소시켜 특정 금속만 침출시키는 방법 적용

  ㅇ 메탈 순도를 높이기 위해 적용 화학물질 조절 등 단계별 반응 조건 통제가 중요

     - NCM의 경우 니켈, 코발트, 망간 화합물을 동시에 침출해 MCP(Metal Composite Precipitate)를 생산하고,

     - 여기에 황산화 공정을 적용하여 바로 전구체로 제조하기도 함

     - 이 경우 공정 복잡도는 감소하지만 불순물 제어, 용액 상태의 MCP 운반비용 등 제약 발생
       >> 전구체 생산공장이 붙어있으면 원가경쟁력 유리

 

 

 

 

ㅁ 분리 및 회수 공정 : 침출 용액에서 금속을 추출/결정화하는 공정으로  1) 용매추출방식,   2)화학적 침전 방식으로 분류

  ㅇ 용매추출방식

     - 금속이온용액에 선택적 화학반응 특성을 갖는 용매를 처리하여 특정 메탈 추출

     - 순도를 높이기 위해 반응조건을 세밀히 통제하는 게 중요

 

  ㅇ 화학적 침전 방식

     - 음이온 포함 화학물질을 처리하여 금속이온과 반응시키고,

     - 반응한 금속염(salt)의 물리적 특성(용해도, 밀도)를 이용해 메탈을 분리하는 방식

 

  ㅇ 현재 구리, 아연 재활용에 사용되는 전기화학적 추출 방식 도입 연구 진행 중

     - 이 방식은 금속이온에 각각 다른 전압으로 전류를 가해 금속이온을 환원하는 방식으로,

     - 기존 화학적 공정 대비 효율 높음




| 배터리 리사이클링과 온실가스 감축

ㅁ '21년 기준 배터리 유형별 온실가스 배출량 비교

  ㅇ NCM 생산 시 발생 온실가스는 76kg / 1kWh 수준으로, 연간 1,080만톤 배출

  ㅇ LFP의 경우 101kg / 1kWh 수준으로, 연간 2,800만톤 배출

ㅁ 배터리 유형별/생산공정별 온실가스 배출 현황

  ㅇ NCM, NCA의 경우 양극재 생산에서 가장 많은 온실가스 배출(전체의 22% 수준)

  ㅇ LFP는 셀 공정에서 많이 발생. 셀투팩 기술 적용 등으로 추가 공정이 필요하기 때문

재활용 적용 시 NCM은 온실가스 배출량이 54.5kg / 1kWh 로 감소한다고 합니다. 물리적-습식 공정을 적용했을 때를 기준으로 한 데이터인데, 이는 재활용을 하지 않을 때보다 온실가스 배출량이 28% 감소한 수준입니다. 

 

건식공정으로 재활용하는 경우 메탈 회수율이 낮아 습식공정 대비 감축 효과가 저조하다는군요. 아무튼 온실가스 관점에서 봤을 때도 삼원계 생산 시 배터리 순환경제 구축이 필수적인 상황으로, 유럽처럼 재활용 금속 함량 규제가 확대될 것으로 전망됩니다.

 

| 배터리 재활용 밸류체인 구축

ㅁ 배터리 원재료 매장량 및 제련 지역 편중화로 인하여 공급망 안정 중요성 대두

  ㅇ  '21년 리튬 매장량(광산 및 염호 포함)은 칠레 44%, 호주 22%, 아르헨티나 9% 등

  ㅇ 니켈은 인도네시아, 호주, 브라질 등이 주요 매장지
  ㅇ 제련은 중국에서 리튬 57.6%, 니켈 35.3%, 코발트 64.6%, 흑연 70.4% 담당
  ㅇ 국내 배터리 업체의 중국 의존도는 수산화리튬 83%, 코발트 87%, 황산망간 99% 수준
  ㅇ 양극재 전구체의 경우 수입 물량 중 중국에서 91% 수입

       >> 공급망 안정성 측면에서 배터리 리사이클링 산업 투자 중

ㅁ 에코프로비엠은 리사이클링, 전구체, 양극재 생산을 모두 내재화한 양극재 제조공정 운영 중

  ㅇ 에코프로씨앤지는 셀 스크랩, 폐배터리 리사이클링으로 재활용 소재 추출
  ㅇ 에코프로머티리얼즈는 이를 통해 전구체 생산

  ㅇ 에코프로이노베이션은 수산화리튬 생산

  ㅇ 에코프로비엠은 양극재 생산
  ㅇ 리사이클링으로 생상된 MCP 용액을 직접 공급하여 운송비용과 공정원가 절감. 양극재 생산과정에서 발생하는 폐양극재를 직접 리사이클링에 사용

 

 

 

 

 

 

| 투자 대상 종목은?

배터리 리사이클링에 투자하고 싶다면 얼마전에 상장된 성일하이텍이 가장 먼저 떠오르겠지만, 너무 비싸지요. 한껏 장미빛 미래를 그려도 OPM이 15% 수준입니다. 그것도 3년 후에요. 경험상 상장할 때의 수익성 전망은 빗나가는 경우가 많았습니다.

 

 

 

 

비싸게 살바에야 양극재 글로벌 1위이자 습식 공정의 선두주자 Umicore를 투자하는 게 나을지도 모릅니다. 그러나 벨기에 증시에 상장되어있어 투자하기가 좀 까다롭지요. 미국장에 ADR이 보이는 것 같긴 합니다만, 이게 상장된 ADR이 아닌 것 같아 역시 투자하기 번거로울 것으로 보입니다. 번거로움을 감수하고 투자할 가치가 있는지도 잘 생각해봐야겠지요.

 

 

 

 

간접적인 투자 대안으로는 에코프로가 있습니다. 지주회사 역할을 하다보니 밸류에이션이 저렴합니다. 다만, 리사이클링에만 투자하는 건 아니고 배터리 소재산업 전체에 투자하는 효과가 발생한다는 점에서 투자 목적이 흐려진다는 단점이 있습니다.

 

 

 

 

개인적으로는 배터리 산업 전반의 수익성에 대해 의구심을 가지고 있어 아직은 투자할 계획이 없습니다만, 앞으로 분명 기회는 있을 것으로 예상됩니다. 인내심을 가지고 기다려봐야 겠습니다.