기술의 발전과 생활수준의 향상으로 배터리는 모바일 전자장비에 널리 사용되는 필수적인 에너지 저장장치가 되었습니다. 전기 자동차예산 및 재생 에너지 저장 배터리 시스템그러나 사용 수명이 제한되어 있기 때문에 폐배터리의 대량 발생은 환경에 심각한 위협을 초래합니다. 폐배터리에는 중금속과 유해 화학물질이 포함되어 있으며, 이를 제대로 처리하지 않으면 장기적인 생태 오염을 유발하고 인체 건강을 위협하며 리튬, 코발트, 니켈과 같은 귀중한 금속 자원의 손실을 초래할 수 있습니다. 따라서 환경 보호와 자원 활용 측면에서 폐배터리의 효율적인 처리 및 재활용은 자원 순환과 지속 가능한 발전을 달성하는 데 매우 중요합니다.
배터리 응용 분야 및 시장 성장
지난 약 200년 동안 배터리는 저렴한 비용, 안전성 및 안정성, 높은 변환 효율, 우수한 환경 적응성으로 인해 휴대용 전자 제품, 전기 자동차 및 기타 여러 분야에 널리 적용되는 필수적인 에너지 저장 장치 역할을 했습니다[1]. 그러나 소비 업그레이드의 빠른 속도와 전기 자동차에 대한 지속적인 수요 증가로 인해 2024년 1월부터 6월까지 국내 및 국제 시장에서 각각 318.1GWh, 84.5GWh 및 23GWh가 판매될 것으로 추산됩니다. 신에너지 자동차의 생산 및 판매는 492만 9천 대에 도달하여 전년 대비 각각 30.1% 및 32.0% 성장했으며 중국 전기 자동차 수출은 총 108만 49천 대에 도달하여 작년 같은 기간에 비해 36.9% 증가했습니다.
배터리 수명 및 폐기물 발생
또한, 데이터에 따르면 납축전지의 수명은 일반적으로 2~3년, 니켈수소전지의 수명은 3~5년, 리튬이온전지의 수명은 2~6년입니다. 이러한 짧은 수명 때문에 많은 수명이 발생하고 있습니다. 중국상업산업연구원의 예측에 따르면, 폐배터리의 양은 전력 리튬 이온 배터리 중국의 전력 배터리 재활용 규모는 2025년까지 1.04만 톤에 달하고, 2030년에는 350만 톤으로 증가할 것으로 예상됩니다. 또한, 2030년까지 중국의 전력 배터리 재활용 시장 규모는 약 1,400억 위안에 달할 것으로 추산되며, 이는 2022년 대비 약 9배 증가한 수치입니다.
재활용 및 시장 규제의 과제
그러나 낡은 기준, 한정된 자격 기업, 그리고 부실한 관리 감독으로 인해 폐배터리의 상당 부분이 소규모 작업장에 버려져 심각한 안전 위험을 초래하고 있으며, 중국 배터리 재활용 시장의 표준화된 발전을 심각하게 저해하고 있습니다. 2023년까지 중국의 신에너지 자동차용 동력 배터리 표준화 재활용률은 25% 미만으로, 폐배터리의 70% 이상이 불법 재활용 경로로 유입되었습니다. 2018년 중국의 폐배터리 총량은 7만 4천 톤에 달했지만, 그중 정상적으로 재활용된 것은 5,472톤에 불과하여 전체 폐배터리의 7.4%에 불과하여 예상치를 크게 밑돌았습니다.
환경 및 건강 위험
폐배터리의 전극 재료와 전해질을 부적절하게 처리하면 니켈, 코발트, 망간과 같은 금속 이온과 기타 유기 화합물이 방출되어 심각한 환경 오염을 초래할 수 있으며, 이는 인체 건강에도 위험을 초래할 수 있습니다. 동시에 이러한 재료는 상당한 경제적 가치를 지닙니다. 적절한 재활용이 이루어지지 않으면 귀중한 자원이 낭비될 뿐만 아니라 중국의 철광석 의존도가 높아져 국가 에너지 안보에도 영향을 미칠 수 있습니다.
자원 가치와 전략적 중요성
예를 들어, 양극재의 코발트, 리튬, 니켈 함량은 천연 광석의 함량보다 훨씬 높아 각각 약 5~20%, 5~7%, 5~10%에 달하며, 구리, 알루미늄, 철과 같은 미량 원소도 포함하고 있습니다. 리튬 자원은 명확한 지정학적 분포 패턴을 보이며, 재활용을 통해 해외 공급 의존도를 낮추고 국가 자원 안보를 강화할 수 있습니다. 사용 후 유가 금속의 효율적인 회수 리튬 이온 전지 상당한 경제적 이익을 창출할 뿐만 아니라, 중요한 지정학적 중요성도 지니고 있습니다.
본 리뷰에서는 배터리 유형, 전기화학 시스템 및 그 작동 원리를 요약합니다. 아연-탄소 배터리 및 납-축전지와 같은 19세기 초 배터리 설계와 니켈-수소(NiMH) 및 밸브 조절형 납-축전지(VRLA)를 포함한 현대 배터리 기술을 비교 분석하며, 반응 메커니즘, 장단점, 그리고 적용 분야에 중점을 둡니다(표 1 참조). 본 리뷰는 미래의 배터리 기술이 주거, 산업 및 항공우주 분야의 다양한 요구를 충족하기 위해 더 긴 수명, 더 낮은 비용, 그리고 향상된 환경 성능을 향해 지속적으로 최적화될 것임을 강조합니다.
대부분의 배터리는 일반적으로 양극, 음극, 전해질, 분리막, 그리고 케이스로 구성된 기본 구조를 가지고 있습니다. 리튬 이온 전지 구성 측면에서 예를 들어 보겠습니다. 양극재는 일반적으로 원자가가 높은 금속을 포함하는 반면, 음극재는 주로 흑연, 금속 재료 또는 실리콘 재료와 같은 탄소 기반 재료로 구성되며, 탄소 기반 재료가 가장 일반적입니다. 예를 들어, 알칼리 전지와 아연-탄소 전지에서 음극은 주로 금속 아연으로 구성되고, 이산화망간은 음극 역할을 합니다.
현재 사용되는 전해질은 주로 액체 전해질(예: 육불화인산리튬)과 고체 전해질(예: 산화물, 황화물, 폴리머 등)입니다. 액체 전해질은 더 높은 이온 전도도를 제공하는 반면, 고체 전해질은 우수한 안전성을 제공합니다. 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)으로 만들어지는 배터리 분리막은 단층 PE 또는 PP 멤브레인 또는 3층 PP/PE 멤브레인으로 분류할 수 있습니다. 케이싱 재질은 일반적으로 금속 또는 복합 재료로 구성됩니다.
소모된 배터리의 위험
재활용되지 않은 폐배터리는 심각한 환경 및 건강 위험을 초래합니다. 배터리 침출수에 포함된 중금속과 독성 물질은 토양과 수로를 오염시켜 자연 생태계를 교란할 수 있습니다. 이러한 오염물질은 토지와 작물에 점진적으로 축적되어 결국 인체에 유입되어 잠재적인 건강 위협을 초래할 수 있습니다. 금속 나노구조, 탄소 기반 소재, 이온성 액체와 같은 배터리 내 새로운 오염물질 또한 광범위하게 연구되어 왔습니다. 이러한 소재는 배터리 성능을 향상시킬 수 있지만, 심각한 환경적 위험을 초래할 수도 있습니다. 예를 들어, 금속 나노구조는 저장 용량과 에너지 효율을 향상시킬 수 있지만, 응집되는 경향이 있어 성능 저하를 초래합니다. 그래핀이나 탄소 나노튜브와 같은 탄소 기반 소재는 수생태계에 독성 영향을 미칠 수 있습니다. 이온성 액체는 토양과 물에 축적되어 미생물에 세포독성 효과를 유발할 수 있습니다.
게다가 생태독성학 연구가 부족하고, 재활용 기술이 제한적이며, 규제 격차가 있기 때문에 새로운 배터리 소재와 관련된 환경적 위험에 더 많은 관심이 필요합니다.
그래핀 기반 물질(GFM)의 발견은 생태학적 영향, 특히 수생 생물에 미치는 독성에 대한 우려를 불러일으켰습니다. 연구에 따르면 GFM은 박테리아, 조류, 무척추동물, 어류에 독성을 나타내어 생존, 성장, 그리고 번식에 악영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 산화그래핀(GO)은 조류의 성장을 억제하고 산화 스트레스를 유발하여 세포 손상을 유발할 수 있습니다. 수생 환경에서 GFM의 안정성과 이동성은 GFM의 고유한 물리화학적 특성과 수생 환경의 물리화학적 변수 모두에 영향을 받습니다. 흡착 및 응집과 같은 수생 거동은 수생 시스템에서 GFM의 분포와 최종적인 운명을 변화시킬 수 있습니다.
현재 GFM에 대한 환경 안전 지침은 불완전하고 표준화된 시험 방법도 부족합니다. 따라서 과학적으로 타당한 안전 지침과 관리 전략을 수립하기 위해서는 실제 환경 농도와 장기적 영향을 파악하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
폐배터리 관리 솔루션
사용한 배터리의 주요 폐기 방법에는 소각, 매립, 재활용이 있습니다[16]. Susana Xará 등은 수명 주기 평가(LCA) 방법을 사용하여 소비자 폐기부터 최종 처리 또는 환경으로의 통합까지 배터리의 전체 수명 주기를 평가했습니다. 이 연구에 따르면 매립은 토지 점유 및 장기 지하수 오염 측면에서 가장 큰 영향을 미치는 반면 소각은 주로 대기 배출 및 자원 활용에 영향을 미칩니다. 이와 대조적으로 재활용은 환경 보호 및 자원 회수에 상당한 이점을 제공합니다. 재활용 공정에는 일반적으로 전처리, 금속 침출 및 추출, 제품 준비가 포함됩니다[17](그림 2 참조). 전처리에는 배출, 수동 분해 또는 기계적 분리, 알루미늄 호일에서 양극 재료 분리가 포함됩니다. 일반적인 방법에는 용매 용해, 초음파 지원 분리, 열처리 및 기계적 분리가 있습니다.
현재 금속 침출 및 추출 공정에는 주로 전통적인 열연 야금과 습연 야금, 그리고 새로운 생물 야금 기술이 포함됩니다(구체적인 차이점은 표에 요약되어 있습니다). 열연 야금은 폐배터리를 고온으로 처리하여 금속 원소를 농축하고 침전시키는 공정입니다. 이 공정은 배터리를 분해하고 파쇄하여 비금속 성분을 제거하고 전극 재료를 얻는 것으로 시작됩니다. 이어서 전극 재료를 환원 및 산화 단계를 포함한 로스팅을 거쳐 더 관리하기 쉬운 형태로 변환합니다. 고온 처리 후 플럭스와 환원제를 사용하여 합금이나 금속 원소를 생성하고, 이를 최종적으로 물리적, 화학적 분리 방법을 통해 회수합니다.
건식야금은 납-산성, 니켈-카드뮴, 아연-망간 전지와 같은 복잡한 폐전지에 매우 효과적이지만, 에너지 소모가 많고 환경 오염을 유발합니다. 납, 카드뮴, 아연, 수은과 같은 성분은 300~400°C에서 휘발되거나 침전될 수 있으므로 취급 시 주의가 필요합니다. 따라서 건식야금은 이러한 금속을 회수하는 주요 방법으로 남아 있습니다.
습식제련은 화학 용매를 사용하여 폐배터리에서 금속 원소를 용해한 후, 화학적 및 물리적 기법을 사용하여 분리 및 추출하는 공정입니다. 먼저, 배터리를 분해하고 파쇄하여 전극 물질을 얻은 후, 산성 또는 알칼리성 용액을 사용하여 금속 원소를 용해합니다. 생성된 용액은 이온 교환, 용매 추출 또는 기타 방법을 통해 불순물을 제거합니다. 마지막으로, 침전 및 전기분해를 통해 폐수에서 중금속을 회수합니다. 습식제련은 폐니켈-수소화물 및 리튬 이온 배터리에서 고순도 금속을 회수하는 데 특히 적합하며, 특히 코발트나 니켈과 같은 유가 금속의 회수에 적합합니다. 그러나 이 방법은 염을 함유한 폐수를 생성하며, 이는 처리가 필요하고 2차 오염을 유발할 수 있습니다.
바이오 금속 야금은 미생물과 그 대사산물을 이용하여 폐배터리에서 금속 원소를 효율적으로 추출하는 기술입니다. 이 공정은 손상된 배터리를 분해하여 전극 물질을 얻은 후, 특수 미생물 배지를 사용하여 적절한 조건에서 생물침출(bioleaching)을 통해 금속을 효과적으로 용해하는 과정을 포함합니다. 이후 정제 단계에서는 이온 교환과 용매 추출을 사용하고, 최종적으로 침전과 전기분해를 통해 금속을 회수합니다. 바이오 금속 야금은 니켈과 코발트와 같은 고부가가치 금속의 회수에 특히 유용합니다.
