LiB 폐기물용 SHARP^™ 기술

Ghazaleh Nazari 박사
선임 기술 책임자

성장 기회

전기 자동차(EV) 시장의 성장세를 유지하기 위해서는 안정적인 원자재 확보가 중요합니다. 배터리 응용 분야에서 나타나는 모든 신규 및 예상되는 기술의 발전에 따라 수명 종료(EOL) LiB의 재활용이 더욱 중요해지고 있습니다. 재생 분야에서 LiB를 재가공 및 재사용할 가능성이 있지만 결국 LiB는 폐기되어야 합니다. EV 시장에서 LiB 수요가 급증함에 따라 LiB도 증가하고 따라서 수거도 쉽기 때문에 재활용이 더욱 쉬워질 것입니다. EV 배터리는 일반적으로 10~12년 사이에 EOL에 도달하므로 이러한 배터리는 초기 세대도 여전히 사용되고 있습니다. EOL 배터리의 폐기는 향후 몇 년 내에 증가할 것으로 예상됩니다.

그림 1에 표시된 것처럼 제조 시 발생하는 폐기물은 재활용을 위한 또 다른 중요한 재료 공급원입니다. LiB 생산에서 폐기율은 최고 생산자의 경우 약 5%이고, 일반 생산자의 경우 10%이며, 시작 단계에서는 30% 이상에 달합니다. EV의 빠른 성장세를 고려하면 제조 시 거부되는 배터리 소재의 폐기량이 상당할 것으로 예상되며, 이 부분이 해당 10년 기간 동안 LiB 폐기물의 대부분을 차지할 전망입니다. 따라서 재활용 요구가 증가할 수 있습니다. 2020년부터 2030년까지 LiB 생산으로 인한 폐기물의 양이 1,500만 톤을 넘을 것으로 예상됩니다.

중요 가치 금속과 관리

주요 공급원에서 시작되는 배터리 중요 금속의 공급망에 대한 최근 평가를 보면 지리적 집중성과 관련된 정치, 안보, 비즈니스적 위험을 포함한 다양한 위험을 확인할 수 있습니다. 리튬의 경우 전 세계 광물 공급량의 절반 이상이 호주에서 생산되며 정제 및 국내 사용을 위해 중국으로 수출됩니다. 중남미도 주요 리튬 공급원에 해당하며, 이 지역은 가치 사슬의 상향 이동 요구와 까다로운 정치적 상황에서의 운영 등으로 부담이 점차 증가하고 있습니다.

현재 EV 배터리 설계에서 가장 가치 있는 금속인 코발트는 공급망 붕괴 가능성으로 인해 고위험 광물로 평가됩니다. 이것은 주로 세계 코발트 공급량의 절반 이상이 생산되는 콩고민주공화국에서 노동 및 인권 침해 문제에 대한 우려가 높아지고 있기 때문입니다.

저코발트 또는 무코발트 배터리 설계에 대한 연구와 실험은 성능 저하 없이 코발트에 대한 의존도를 낮추는 것을 목표로 합니다. 대부분의 솔루션은 니켈 함량이 높은 NMC 화학물에 의존함으로써 니켈 수요와 가격을 더욱 높이거나 여전히 리튬에 크게 의존하는 낮은 비용량 LFP를 사용합니다.

EV로의 전환은 화석 연료 사용을 억제하고 기후 변화에 맞서기 위한 많은 국가들의 환경 정책에서 중요한 요소입니다. 그러나 EV의 수명 주기 분석에 따르면 원자재 채굴, 가공 및 비축, 사용한 LiB 폐기가 환경에 큰 영향을 미치는 것으로 나타납니다. EV로 인한 전반적인 환경 영향을 줄이기 위한 핵심은 사용한 LiB를 재활용하는 것입니다. LiB의 금속 농도는 종종 광물에서의 농도를 초과하기 때문에 상대적으로 더 쉽게 회수할 수 있습니다. 그 결과 천연 자원을 크게 보존하고, 처리 중 에너지 소비를 낮추고, 유독성 폐기물 처리를 없애줍니다.

효율적인 습식 제련 공정을 구현할 수 있으면 검은 덩어리에서 중요 금속의 회수율이 95% 이상일 수 있습니다. 기계적 분리 공정과 함께하면 배터리 성분의 80% 이상을 회수할 수 있습니다.

Coherent는 세상을 더 안전하고, 더 가깝고, 더 건강하고, 더 효율적인 곳으로 만들겠다는 사명을 갖고 있는 희소 금속 정제 분야의 글로벌 리더로서 환경 보건 및 안전(EHS)과 품질 우수성 부문에서 탁월한 실적을 갖고 있습니다. Coherent는 추출 제련 분야에서 30년 이상의 광범위한 전문 지식을 갖고 있으며, 다양한 신제품 및 공정 개발의 중심으로 유능하고 경험 많은 엔지니어와 화학자를 보유하고 있습니다. 그러한 혁신 중 하나가 바로 LiB에서 수집된 검은 덩어리로부터 중요 금속을 효율적으로 회수하기 위한 SHARP 기술의 개발입니다. 

당사의 기술은 성공적으로 확장되었으며 중요 금속을 효율적으로 회수하고 배터리 재료를 생산할 수 있는 기술적 가능성이 검증되었습니다. 시험 설비 운영은 더 크고 지속적인 구성으로 입증되었으며 경제적 이점이 확립되었습니다. 위험을 줄이고 정확한 상업용 플랜트 규모 결정, 빠른 준비, 고품질 제품 생산을 보장하기 위해 단계적 확장이 구현되었습니다.

그림 3은 위에서 설명한 바와 같이 최신 기술과 비교하여 제안된 기술의 장점을 강조해서 보여줍니다. 건식 제련 공정과 달리 리튬이 회수되고 유독성 가스가 발생하지 않습니다. 일반적인 습식 제련 공정과 달리 대부분의 피드가 낮은 비용의 간소화된 재활용 공정으로 처리되고 분리 및 정제 단계를 우회합니다.

SHARP 기술 시험 설비 결과

Coherent SHARP 기술은 성공적으로 확장되었습니다(그림 4). 시험 설비 결과를 통해 배터리 등급 재료를 상당히 낮은 비용으로 생산할 수 있음이 확인되었으며, 환경을 생각하는 소비자와 시장 전체에 매력적인 가치 제안을 내놓았습니다. 시험 설비용으로 선택된 검은 덩어리 공급물은 공정의 견고성을 확인하기 위해 알루미늄, 철, 구리, 카드뮴, 칼슘, 마그네슘, 불소 및 아연과 같은 여러 불순물로 오염되었습니다. 이러한 불순물 중 일부는 NMC LiB 폐기물에서는 예상되지 않는 것으로, 다른 유형의 배터리와의 교차 오염으로 인해 이 검은 덩어리에 존재하고 있었습니다. SHARP 기술은 검은 덩어리에서 모든 불순물을 효율적으로 제거하고 배터리 등급 재료를 생산함으로써 높은 수준의 불순물이 존재하는 경우에도 견고성을 확인받았습니다.

SHARP 기술 상용화 경로

Coherent는 시험 설비의 성공적인 운영에 힘입어, 유휴 자산을 활용해 기존 시설에서 연간 1,500미터톤(MT/y)의 시연 설비를 운영함으로써 2024년에 이 기술을 발전시켜 나갈 예정입니다.

Coherent는 2025년에 검은 덩어리 20,000MT/y 용량의 LiB 재활용 시설을 건설할 계획입니다. 이 최첨단 시설은 LiB의 지속 가능한 관리에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 이 프로젝트는 상당량의 배터리를 재활용하여 환경 지속 가능성과 자원 보존에 기여하는 것을 목표로 합니다. Coherent는 이러한 배터리를 효과적으로 처리함으로써 연간 약 11,000MT의 재활용 제품을 pCAM으로 생산하고 10GWh에 해당하는 5,500MT/y의 LiOH.H2O를 생산하여 원자재 필요성을 줄이고 폐기물을 최소화할 예정입니다. 이 이니셔티브는 배터리 업계에서 친환경 관행을 추구하는 전 세계적인 추세에 부응하며, 배터리 폐기가 환경에 미치는 영향과 중요 재료 고갈에 대한 우려를 해결하는 데 도움이 됩니다.

Coherent 이점

1. 습식 제련 경험:
   30년 이상의 전문 지식을 갖춘 Coherent는 희소 금속 정제 설비를 성공적으로 운영해 온 풍부한 역사를 자랑합니다. Coherent는 고순도 텔루르 및 셀레늄 생산 능력이 탁월하여 전 세계 수요의 대부분을 충족합니다.
2. SHARP 기술의 견고성:
   SHARP의 기능은 농도에 관계없이 NMC LiB에서 흔히 발견되는 알루미늄, 철, 구리 및 불소를 포함한 다양한 불순물을 처리하는 데까지 확장됩니다.
3. 낮은 확장 위험:
   필요한 장비가 습식 제련 산업에서 성공적으로 사용된 바 있음을 보여 주는 입증된 기록을 보유하고 있어 규모 확장 위험이 최소화됩니다.
4. 다용성 및 유연성:
   SHARP 기술은 제조 폐기물 외에도 카드뮴, 칼슘, 마그네슘, 아연, 텅스텐 및 지르코늄과 같은 불순물을 수용하여 EOL 검은 덩어리에서 배터리 등급 제품을 생산함으로써 다용성을 입증합니다. EOL 배터리에서 발생했으며 높은 수준의 불순물을 함유한 검은 덩어리는 당사의 시험 설비에서 효과적으로 처리된 바 있어 당사 기술의 성공 사실을 부각해 줍니다.

우수성에 대한 헌신과 첨단 기술 및 적응성을 모두 갖춘 Coherent는 LiB 재활용 및 배터리 재료 생산 분야의 선두 주자로서 미래를 위한 지속 가능한 혁신의 최전선에 서 있습니다.