고려대 화공생명공학과 원왕연 교수 연구팀이 전기차 폐배터리의 종류와 재활용 방식에 따라 달라지는 경제성과 환경성을 종합 분석해, 상황에 맞는 재활용 공정을 고를 수 있는 기준을 내놨다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Environmental Impact Assessment Review’(IF=12.2, JCR 상위 3.2%) 온라인판에 9월7일 게재됐다.

전기차 보급이 늘면서 폐배터리의 양극재에서 리튬/니켈/코발트/망간 등 핵심 원료를 되찾는 재활용 기술이 갈수록 중요해지고 있다. 양극재는 리튬이온배터리의 핵심 소재로, 리튬과 함께 쓰이는 니켈/코발트/망간 등 금속 종류에 따라 배터리 성능과 특성이 달라진다. 하지만 배터리 종류와 재활용 방식에 따라 경제성과 환경성이 제각각인 데다, 기존 연구들은 평가 조건과 범위가 달라 공정 간 동일 기준 비교가 어려웠다.


연구팀은 NMC(니켈/망간/코발트계), LCO(리튬코발트산화물계), LMO(리튬망간산화물계) 등 세 종류의 폐리튬이온배터리에 열처리 기반(pyrometallurgy), 습식(hydrometallurgy), 용매 기반(solvometallurgy) 재활용 기술을 조합한 9개 공정 시나리오를 만들고 공통 기준으로 비교했다.

각 공정은 폐배터리를 파쇄/열처리/분리해 얻는 분말 형태의 중간 원료인 블랙매스(Black mass)에서 리튬/니켈/코발트/망간을 회수하도록 설계됐다. 블랙매스에는 이들 금속과 흑연 등 경제적 가치가 있어 회수/재활용할 수 있는 유가물질이 담겨 있다.

경제성 평가에는 투자/운영비 등 경제적 비용에 탄소배출 비용과 감축 효과까지 반영해 손해 없이 팔 수 있는 최소 가격을 뜻하는 환경보정 최소 판매가격(e-MSP)을 활용했다. 값이 낮을수록 경제성이 높다. 분석 결과 연구팀이 정한 기준 조건에서는 열처리 기반 재활용이 세 배터리 모두에서 e-MSP가 가장 낮아 경제성이 가장 뛰어났다. 그러나 니켈/코발트 등 회수 금속 판매가격이 50% 떨어지면 NMC와 LCO에서는 습식 공정의 e-MSP가 가장 낮아졌다. 회수 금속의 시장 가격에 따라 유리한 재활용 방식이 바뀔 수 있다는 의미다.

환경성 역시 배터리 종류와 공정에 따라 차이를 보였다. NMC와 LCO의 열처리 기반 공정은 회수한 코발트/니켈이 신규 금속 생산을 대체해 줄어드는 온실가스까지 따졌을 때 온실가스 배출 영향이 가장 낮았다(각각 −20.36, −67.68 kg CO₂-eq/kg-Li₂CO₃). 다만 경제성과 환경성이 늘 같은 방향을 가리키지는 않았다. LCO의 용매 기반 공정은 습식 공정보다 e-MSP가 높아 경제성은 떨어졌지만 온실가스 배출 영향은 더 작았다.


원왕연 교수는 "폐배터리 재활용에서는 높은 금속 회수율뿐 아니라 어떤 공정으로 금속을 회수해야 경제성과 환경성을 함께 확보할 수 있는지 판단하는 것이 중요하다"며 "이번 연구는 산업 현장에서 재활용 공정을 선택하고 향후 규모 확대와 사업성을 검토하는 데 쓸 수 있는 정량적 기준을 제시했다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 Global C.L.E.A.N. 사업과 국토교통부 국토교통과학기술진흥원 연구개발사업의 지원으로 수행됐다.