[위즈덤 에너지] 리튬이온배터리의 원리 및 폐배터리의 활용 전망
[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 전지란 물리적 혹은 화학적 반응 및 작용들을 통해 전기 에너지를 발생시키는 장치이다. 물리 전지는 빛과 열을 통해 전자를 움직이게 하여 전기를 발생시키며 화학 전지는 두 가지 금속의 이온화도에서 생기는 전위차를 이용해 전기를 생산한다. 화학전지는 충전 가능 유무에 따라 1차와 2차 전지로 나뉜다. 리튬이온배터리와 같이 충전이 되고 전기차에 사용되는 전지는 2차 전지이다.
리튬을 핵심 소재로 쓰는 리튬이온전지는 크게 4개의 구성요소로 이루어지고 있다: 양극, 음극, 전해질, 분리막이다.
양극에는 리튬이 사용되며 원소 상태에서 불안하기 때문에 리튬과 금속 물질과 결합된 리튬 산화물을 사용한다. 전기차 배터리 대부분은 NCM (Ni, Co, Mn), NCA (Ni, Co, Al), LMO (LiMn2O4) 소재가 사용된다. 리튬 산화물과 같이 전극 반응에 참여하는 물질을 통틀어 ‘활물질’이라 한다. 양극을 더 자세히 나누면 양극의 틀을 잡는 알루미늄 기재랑 활물질, 바인더, 도전재로 이루어진 합제가 있다. 도전재는 활물질의 전도성 높여주고 바인더는 알루미늄 기재에 활물질과 도전재가 잘 접착할 수 있도록 하는 역할을 갖고 있다. 양극재는 전지의 용량과 전압을 결정하는 핵심 소재이다. 리튬이온이 많을수록 용량은 커지지만 그만큼 음극의 양도 많아져야 되고 전지의 크기 제한이 있다. 활물질은 많이 넣는 방법은 에너지 밀도가 높은 활물질 사용, 활물질을 가볍고 작게 만들기, 리튬 양이온을 많이 받을 수 있도록 음극의 공간을 크게 만드는 것이다. 전압은 양극과 음극의 전위차가 클수록 커지기 때문에 활물질의 종류에 따라 전압이 정해진다.
음극은 양극에서 나온 리튬이온을 흡수 및 방출을 해 전류를 흐르게 끔 한다. 배터리의 충전 상태일 때는 리튬이온은 음극에 있으며 방전할 때 리튬이온은 양극으로 이동한다. 이때 리튬이온에서 방출된 전자가 도선을 통해 이동하면서 전기를 발생시킨다. 음극 역시 활물질이 존재하는데 가장 많이 쓰이는 소재는 흑연이다. 리튬이온을 저장 및 방출하는 과정을 여러 번 반복되면 흑연의 구조가 바뀌게 되면서 저장할 수 있는 이온의 양이 줄어들어 배터리의 수명이 줄어든다. 이를 보완하고자 실리콘을 사용하는 등 다양한 소재에 연구가 진행되고 있다.
전해액은 리튬 이온을 움직이게끔 하는 매개체 역할을 가지고 있다. 리튬 이온의 이동을 빠르게 하고 이온 전도도가 높은 전해질을 사용해야 하고 안정성을 고려하고자 전기화학적 안정성, 발화점이 높아야 한다. 분리막은 양극과 음극의 접촉하지 않도록 막아주며 전자가 전해질을 통해 흐르지 않게 하고 미세한 구멍을 통해 이온만 움직일 수 있도록 한다.
환경 보호를 위해 전기차의 판매량이 급격하게 늘어나게 되면서 자연스럽게 폐배터리 재활용 및 재사용에 대한 관심이 늘어나고 있다. 전기차 배터리의 수명은 7년에서 10년 정도 되며 환경부에 의하면 2030년에는 연간 폐배터리 수가 약 11만 개 달할 것이라 전망했다. 에너지 전문 시장조사 기관 SNE 리서치에 따르면 전 세계적인 폐배터리 재활용 시장 규모는 올해 7000억 원에서 2025년에는 3조 원, 2050년에는 600조 원으로 성장할 것으로 전망했다.
폐배터리는 크게 재활용(Recycle)과 재사용(Reuse)으로 나뉘는데, 재활용은 새 배터리 제작에 쓰이는 리튬·니켈 등 희소금속을 추출해 사용할 수 있다. 폐배터리의 대표적인 재사용 사례로는 Energy Storage System (에너지저장장치)이다. 기존 태양광, 풍력 등 신재생 에너지를 이용한 ESS는 날씨에 큰 영향을 받아 불규칙적으로 에너지가 생산되기 때문에 폐배터리와 같이 활용하면 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
리튬이온배터리의 재활용은 아직 더 많은 시간과 투자가 필요하다. 기존 납 배터리는 분쇄해서 가루로 만들고 녹이거나 산성으로 용해하게 되면서 배터리에 사용된 물질들을 다시 수집할 수 있지만 리튬이온배터리는 폭발할 위험성이 있고 고장이 나면 재활용이 힘들다.
코발트, 니켈, 등 배터리에 사용되는 금속들은 수입에 크게 의존하기 때문에 재활용을 할 수 있다면 경제적으로 큰 도움을 줄 수 있다. 아직까지는 수작업으로 재활용을 하기 때문에 보편화가 되려면 더 많은 연구와 시간이 필요하다. 현재 영국 패러데이 연구소의 앤드류 애보트 연구팀은 초음파를 통해 배터리 표면에 기포를 발생시켜 표면 코팅을 파괴하는 방법을 개발했다고 발표했다.
또한, 지난 16일, EU 집행위원회는 핵심원자재법(CRMA) 초안을 발표했는데, 코발트, 구리, 희토류 등 16종을 전략적 원자재로 지정하고 2030년까지 해당 원자재 소비량의 10%를 추출하고 40% 가공, 15%까지 재활용 역량을 보유하며, 재활용 비율에 대한 정보공개 의무화 조항을 넣었다. 향후 배터리 재활용을 세부 조항에 의무화될 가능성이 있다는 것이다.
[위즈덤 에너지] 기후위기로 더 이상 화석연료의 사용이 어려워진 가운데, 신재생 에너지는 선택이 아닌 필수가 되고 있습니다. 미래를 이끌 학생들에게 에너지 발전 및 소비에 대한 정보를 쉽게 이해할 수 있도록 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 김현동 기자의 ‘위즈덤 에너지’로 새로운 에너지 소식을 만나보세요.
