[배터리완전정복](31)'별들의 전쟁터'된 배터리 재활용, 누가 승자가 될 것인가

편집자주지금은 배터리 시대입니다. 휴대폰·노트북·전기자동차 등 거의 모든 곳에 배터리가 있습니다. [배터리 완전정복]은 배터리에 대해 알고 싶어하는 일반 독자, 학생, 배터리 산업과 관련 기업에 관심을 가진 투자자들에게 배터리의 기본과 생태계, 기업 정보, 산업 흐름과 전망을 알기 쉽게 전달하기 위해 만든 코너입니다. 매주 토요일에 여러분을 찾아갑니다.

지난 3월 호주 리튬오스트레일리아(Lithium Australia)의 자회사인 엔바이로스트림(Envirostream)은 LG에너지솔루션 및 현대글로비스와 잇따라 배터리 재활용 계약을 체결했다. 이 계약에 따라 엔바이로스트림은 두 회사로부터 나오는 폐배터리의 회수 및 재활용을 3년간 독점적으로 맡게 됐다.

이보다 앞서 국내 사용후 배터리 재활용 기업인 성일하이텍은 리튬오스트레일리아와 블랙 파우더(배터리 분말)의 오프테이크(off take·장기구매) 계약 및 공동개발(JDA) 관련 양해각서(MOU)를 체결했다고 밝혔다. 이 계약은 엔바이로스트림이 수집해 1차 가공한 블랙 파우더(black powder)를 성일하이텍이 받아 핵심 광물을 추출하는 내용을 담고 있다.

이번 일련의 계약은 한국의 배터리 셀 제조사-완성차 기업-해외 배터리 회수 기업-한국 배터리 재활용 기업으로 이어지는 전기차 폐배터리 재활용 순환 생태계를 잘 보여주는 사례다.

전기차의 확대와 함께 향후 수십조원의 시장을 형성할 것으로 예상되는 사용후 배터리 시장을 선점하기 위한 글로벌 전쟁이 본격화되고 있다. 사용후 배터리 시장은 초기 전문 기업들 중심으로 성장했으나 지금은 원자재 업체부터 소재, 배터리 셀 기업뿐 아니라 완성차 기업들까지 직접 배터리 재활용 시장에 뛰어 드는 등 그야말로 춘추전국 시대를 방불케 하고 있다. 각 기업간 합종연횡도 활발히 일어나고 있다.

사용후 배터리의 재활용 및 재사용 사업은 수익성과는 별개로 공급망관리(SCM)와 안정적인 원료 확보 측면에서도 중요한 의미를 지니고 있다. 기술력뿐 아니라 어느 기업이 광범위한 글로벌 네트워크를 확보하느냐가 핵심 경쟁력이 되고 있다.

폐배터리를 재활용하는 3가지 방법

전기차에서 사용하고 난 배터리를 예전에는 폐배터리라고 불렀으나 현재는 사용후 배터리라는 말을 더 선호하고 있다. 폐배터리에는 폐기물이란 의미가 내포돼 있다. 하지만 전기차에서 탈거한 배터리를 그냥 폐기 처분하는 것이 아니라 다양한 방식으로 재사용하거나 재활용하면서 하나의 산업군을 형성하고 있다. 사용후 배터리란 용어가 탄생한 배경이다. 영어권에서는 EOL(End Of Life) 배터리라는 표현을 많이 사용한다.

전기차를 폐차하거나 수리하는 과정에서 발생한 사용 후 배터리는 크게 재제조, 재사용, 재활용 등 3가지 방식으로 활용된다. 재제조는 사용후 배터리를 분해, 셀 밸런싱, 재조립, 검사 등의 과정을 거쳐 원래의 성능으로 복원해 다시 사용하는 것을 의미한다.

재사용은 사용후 배터리를 부품으로 재활용해 에너지저장장치(ESS), 비상전원공급장치(IPS) 등 전기차 이외의 제품으로 제조 및 판매하는 것을 말한다. 다 쓴 배터리라 하더라도 충전 용량의 60~80%는 남아 있어 여전히 활용 가치가 높다.

배터리 업계에서 가장 주목하고 있고 유망 산업으로 떠오른 것이 재활용이다. 재활용이란 사용후 배터리를 분해한 뒤 리튬, 코발트, 니켈 등 유가 금속을 추출해 배터리 원료로 다시 사용하는 것이다. 배터리 재활용은 도시에서 광물을 추출하기에 곧잘 '도시광산'에 비유된다.

배터리 재활용은 방식에 따라 건식 공정(pryro-metallugy)과 습식 공정(hydro-metallurgy), 직접 재활용(direct recycling)이 있다.

이 중 직접 재활용은 배터리의 양극에 코팅돼 있는 활물질을 물리적으로 뜯어내 재활용하는 방식이다. 직접 재활용 방식은 비용이 저렴하고 친환경적이지만 아직 실험실 단계에 머물러 있다. 미국의 온토테크놀로지(Onto Tehchnology), 프린스톤뉴에너지(Princeton Nuenergy) 중국 파라시스(Farasis) 등이 직접 재활용 방식을 도입하고 있다.

이미지출처=SNE리서치

건식 공정과 습식 공정은 크게 전처리와 후처리 공정으로 나뉜다. 전처리는 사용후 배터리를 방전, 분해한 후 블랙 매스(black mass), 블랙 파우더(black powder) 등 재활용 원료를 만드는 과정을 말한다. 후처리는 이렇게 확보한 원료에서 직접 유가 금속을 추출하는 공정이다. 기업에 따라 전처리나 후처리에 특화한 곳이 있고 두 가지 사업을 같이 영위하는 곳이 있다.

건식 공정은 사용후 배터리를 방전, 분해한 후 파쇄해 나온 플레이크(flake·파편)를 섭씨 1200~1400℃의 용광로에 넣어 녹이는 방식으로 금속을 추출한다. 용광로에 녹은 원료들은 밀도 차이에 의해 상부 슬래그(Slag) 층과 하부 금속 합금층으로 분리된다.

니켈, 코발트, 구리로 이루어진 하부 합금층은 각각 녹는 점이 달라 온도 차이를 이용해 추출할 수 있다. 그러나 리튬, 망간으로 이루어진 상부 슬래그는 산화물 형태의 분자구조로 안정적으로 결합해 있어 리튬 회수율이 높지 않다는 단점이 있다.

건식 공정은 비교적 간단하고 대량의 사용후 배터리를 손쉽게 처리할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 고온의 용광로를 가동해야 하기 때문에 에너지 소모가 많고 다량의 탄소를 배출하기 때문에 환경적인 부담이 크다는 단점이 있다.

건식 공정을 도입한 대표적인 곳으로 벨기에의 유미코아가 있으며 국내에서는 영풍, 고려아연이 이 방식을 적용하고 있다. 영풍은 건식 용융 방식으로 90%의 리튬 회수율을 기록했다고 밝히기도 했다.

현재 대다수의 배터리 재활용 기업들이 이용하는 습식 공정은 원료를 화학적으로 처리해 유가 금속을 추출하는 방식이다. 국내에서는 성일하이텍, 새빗켐, 아이에스티엠씨(ISTMC), 에코프로씨앤지가 이 방식을 사용하고 있다. 중국의 브런프(Brunp), 거린메이(GEM), 화유코발트, CNGR, 캐나다 리사이클, 리씨온, 미국 레드우드, 어센드엘리먼츠 등 대부분의 기업들이 습식 방식을 적용해 금속을 추출한다. 시장에서는 습식 점유율이 약 90%를 차지하는 것으로 보고 있다.

이미지출처=SNE리서치

습식 공정에서는 우선 사용후 배터리를 파쇄 및 분쇄한 후 고운 가루 형태의 블랙 파우더를 만든다. 이후 블랙 파우더를 황산 용액에 넣으면 금속 물질이 이온 형태로 침출된다. 불순물을 제거한 후 선택적 화학 반응을 일으키는 용매를 넣어 차례로 황산망간, 황산코발트, 황산니켈, 탄산리튬을 추출한다. 리튬 회수율은 약 90% 정도로 알려졌다. 망간은 경제성이 부족해 추출하지 않는 경우도 있다.

습식 공정은 건식 공정에 비해 금속 회수율이 높지만 비교적 운영비가 높다. 또 최종 부산물인 망초(Na2SO4·황산나트륨) 폐수가 발생해 환경 이슈도 있다.

폐배터리 재활용은 '도시광산' …2040년 63조원 규모로

사용후 배터리 시장이 주목을 받는 이유는 전기차 보급 확대로 향후 8~10년 이후에는 전기차에서 쓰고 난 배터리가 급증할 것으로 예상되기 때문이다. 글로벌 전기차 시장은 현재 성장세가 둔화되고 있으나 앞으로 계속 확대될 것이라는 전망에 이의를 제기하는 사람은 많지 않다. 이에 따라 앞으로 폐기 처분되는 전기차에서 탈거되는 폐배터리의 양도 크게 증가할 것으로 예상된다.

시장조사 업체 SNE리서치가 최근 발표한 바에 따르면 전 세계 배터리 리사이클(재사용/재활용) 시장은 리튬, 니켈, 코발트 등 회수 금속 기준으로 2025년 535킬로톤(kton)에서 2030년 935kton, 2040년 2843kton으로 연평균 12% 성장할 전망이다.

금액 기준으로는 2023년 34억1700만달러였던 배터리 리사이클링 시장 규모는 2025년 73억4200만달러, 2030년 136억4600만달러, 2040년 467억7600만달러(약 63조원) 로 연평균 13%성장할 것으로 예상됐다. 금액 규모는 광물 가격에 따라 변동폭이 크다.

리튬, 니켈, 코발트, 흑연 등 배터리 핵심 광물의 중국 의존도가 지나치게 높아 에너지 안보를 위협할 수 있다는 지적이 나오고 있는 점도 재활용 시장 확대에 영향을 미치고 있다. 유럽, 미국 등 주요 국가에서 공급망 안정을 위해 배터리 재활용에 대한 규제를 강화하거나 인센티브를 확대하고 있기 때문이다.

USGS에 따르면 2020년 기준 호주, 칠레, 중국이 전체 리튬 생산량의 90%를 차지하고 있다. 제련 기준으로는 중국의 비중이 65%로 압도적으로 많다. 낮은 환경 기준을 적용하는 데다 생산비도 낮아 리튬 공장이 중국에 집중돼 있는 탓이다. 특히 국내 배터리 기업의 주력인 삼원계 배터리에 사용하는 수산화리튬의 75%는 중국에서 제련된다.

코발트의 경우 2021년 기준 70%가 콩고민주공화국(DRC)에서 생산되고 있으며 제련의 60%는 중국에서 진행된다. 코발트의 경우에는 아동 착취 문제까지 겹쳐 있다. 니켈은 경제적 채굴이 가능한 매장량 기준으로 인도네시아와 호주가 각각 22%의 비중을 차지하고 있으며 그 뒤를 브라질(16.8%), 러시아(7.9%)가 잇고 있다.

배터리 핵심 광물을 채굴, 제련하는 과정이 친환경적이지 않다는 우려도 재활용 시장 확대를 부추기는 요인이다.

매킨지앤드컴퍼니의 분석에 따르면 삼원계 배터리 기준으로 광물을 채굴해 배터리를 생산할 경우 킬로와트시(kWh)당 약 74kg의 이산화탄소가 발생한다. 이 중 광물 채굴에만 29kg의 이산화탄소를 배출한다.

반면, 리사이클링을 통해 광물을 추출할 경에는 이산화탄소 배출량이 29kg에서 8kg으로 72.4% 감소하게 된다. 전체 이산화탄소 배출량도 74kg에서 53kg으로 줄어든다. 리사이클링을 적용할 경우 에너지 소비량도 건식 공정에서는 68%, 습식공정에서는 75% 줄어들게 된다.

배터리 리사이클링시 낮아지는 이산화탄소 배출량. 출처:맥킨지앤컴퍼니, 교보증권 리서치센터 재인용

이에 따라 세계 각국에서 배터리 재활용을 규제하는 추세다. 대표적인 곳이 유럽연합(EU)이다. 2024년 2월18일부터 시행된 EU의 배터리 규정(Battery Regulation)은 탄소발자국 신고 의무화, 폐배터리 수거 및 원자재 회수 목표 설정, 최소 재활용 원료 사용 비중 적용, 공급망 실사 의무화, 배터리 여권 도입 등을 명시하고 있다.

특히 2027년부터 회원국은 생산자책임재활용(EPR) 제도를 도입해 폐배터리 수거에 대한 책임을 생산자에게 부과하고 관련 승인 절차를 수립해야 한다. 2kWh 이상의 산업용 배터리, 전기차 배터리, 시동·점화용(SLI) 배터리에 대해 재활용 원료 사용 최소 비율과 추출 달성 목표도 설정했다.

규정에 따르면 배터리 폐기 시 2027년까지 코발트, 구리, 납 니켈은 90%를, 리튬은 50%를 추출해야 한다. 또 2031년까지는 이 수치가 각각 95%와 60%로 늘어난다. 신품 배터리에 재활용 원료를 사용해야 하는 비율은 2031년까지 코발트의 경우 16%, 납 85%, 리튬 6%, 니켈 6%다.

미국 정부는 배터리 재활용으로 2040년까지 전기차 배터리 생산에 필요한 구리, 리튬, 코발트·니켈 수요의 55%, 25%, 35%를 각각 충당할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 하지만 EU와 같은 규범보다는 각종 인센티브 정책을 활용해 배터리 재활용을 장려하고 있다.

바이든 정부 출범 이후 미 에너지부(DOE)는 2022년 11월 초당적 기반시설법(Bipartisan Infrastructure Law)에 근거해 전기차 배터리 재활용을 위한 10개 프로젝트에 약 7400만 달러를 투자를 결정했다.

특히 인플레이션감축법(IRA)에 따라 전기차 보조금을 받으려면 미국 또는 미국과 자유무역협정(FTA)을 체결한 국가에서 배터리 광물을 추출 또는 가공했거나 북미에서 재활용된 광물의 비율이 정해진 비율 이상을 충족해야 한다.

IRA에서 핵심 광물 조건의 달성 여부를 파악하기 위해 적용되는 '50% 부가가치 테스트(value added test)'의 성립 조건 중 하나로 '북미에서 재활용된 광물의 비율이 정해진 기준 이상을 충족할 것'을 제시하고 있다. 이에 북미에서는 최근 배터리 재활용에 대한 관심이 급증하면서 전기차 제조업체와 벤처 기업을 중심으로 다양한 협력이 이뤄지고 있다.

별들의 전쟁터 된 리사이클링

사용후 배터리 시장이 급속히 확대될 것으로 전망됨에 따라 최근에는 재활용 전문 기업뿐 아니라 소재, 배터리셀, 완성차 기업들까지 이 분야에 뛰어들고 있다.

배터리 재활용 전문 기업으로는 2000년 설립한 성일하이텍이 가장 큰 규모를 자랑한다. 국내외 총 9개의 전처리 공장(리사이클링파크)과 2개의 후처리 공장(하이드로센터)을 보유하고 있다. 현지에서 배터리 스크랩과 사용후 배터리를 수거해 블랙파우더를 만든 후 한국의 후공정 시설로 보내는 방식이다.

원재료인 스크랩은 국내 배터리 셀 제조사 3사 및 삼성물산, 현대글로비스 등으로부터 조달받아 금속을 추출해 국내 양극재 및 전구체 제조 업체에 공급하고 있다. 에코프로비엠으로의 공급 비중이 가장 높다.

성일하이텍 리사이클링 공정. 이미지제공=성일하이텍

새빗켐은 1993년 설립된 폐수처리 약품 기업 동양케미스트리가 전신이다. 2005년 현재 사명으로 변경하며 반도체, 디스플레이 폐산 재활용 사업에 진출했으며 2017년부터 폐배터리 리사이클 사업을 시작했다. 2020년부터 추출한 금속을 복합액의 형태로 판매하는 사업을 시작했다. 원재료는 포스코케미칼, 엘앤에프 등 양극재 업체로부터 조달하고 있으며 주요 고객사는 중국 이엠티다.

아이에스티엠씨(ISTMC)는 전·후처리 전문업체로 최종 소재 금속을 전구체/양극재 업체에 납품한다. 주요 제품으로는 NCM솔루션과 탄산리튬이 있다. 아이에스티엠씨는 모회사인 아이에스동서를 중심으로 배터리 재활용 생태계를 구성하고 있다. 폐차 전문 업체인 인선모터스, 전처리 업체 아이에스비엠솔루션 등을 가족사로 두고 있어 원재료 확보를 위한 수직 계열화를 이루었다.

에코프로, 포스코 등 대표적인 소재 기업들도 리사이클링 사업에 진출한 상태다. 소재 기업들은 재활용-전구체-양·음극재 생산의 생태계를 완성함으로써 경쟁력을 갖추고 있다는 점을 강조하고 있다.

에코프로는 에코프로씨엔지(CNG)를 통해 재활용 사업을 전개하고 있다. 국내외 공장 증설을 통해 현재 연 3만톤의 생산능력을 2027년까지 약 두배인 6만1000t까지 확대한다는 계획이다.

포스코홀딩스는 2023년 7월 중국 화유코발트, GS에너지와 합작한 이차전지 리사이클링 전문 기업인 포스코HY클린메탈 공장을 준공했다. 이 공장에서는 연간 블랙파우더 1만2000t을 처리할 수 있는 생산 능력을 갖췄다.

배터리셀 기업들도 재활용 사업에 적극적이다. LG에너지솔루션은 2023년 8월 중국 화유코발트와 배터리 리사이클 합작법인(JV) 설립을 위한 계약을 체결했다. 신규 합작법인은 중국 난징 등에 공장을 세울 예정이다. LG화학과 LG에너지솔루션은 2021년 12월 북미 최대 배터리 리사이클링 기업인 리사이클(Li-Cycle)에 600억원을 투자해 지분 2.6%를 확보하기도 했다.

삼성SDI는 2019년 천안과 울산 공장에 배터리 핵심 원자재를 회수하고 배터리 제조에 재활용하는 순환 체계를 구축했으며 2025년까지 전 세계 생산 거점으로 확대·구축할 계획이다. 또 연구소 내 리사이클 연구 랩(Lab)'을 신설해 친환경 소재 회수 기술을 개발하고 있다. 삼성SDI는 성일하이텍과 긴밀한 협업 관계를 갖고 있다. 삼성SDI(8.8%)를 비롯해 삼성그룹 계열사들이 성일하이텍 지분 13.8%를 보유한 2대 주주다.

SK온의 모회사인 SK이노베이션도 2022년 12월 성일하이텍과 폐배터리 합작법인 설립을 위한 업무협약(MOU)을 체결한 바 있다.

글로벌 전기차 기업들도 폐배터리 재활용 사업을 진행하고 있다. 현대차그룹은 현대글로비스를 통해 배터리 재활용 사업을 추진하고 있다. 현대글로비스가 세계 곳곳의 폐차장 등에서 나오는 사용후 배터리를 회수하면 현대차가 이를 재사용하거나 재활용하는 방식이다. 현대글로비스는 지난 1월 전처리 기술을 갖춘 배터리 재활용 전문기업 이알과 지분투자에 관한 투자계약서(SSA)를 체결하기도 했다.

SK에코플랜트는 2023년 12월 12일 중국 장쑤성 옌청시 경제기술개발구에서 배터리 재활용 공장 준공식을 개최하고 있다. 사진제공=SK에코플랜트

비(非)배터리사도 경쟁에 뛰어들고 있다. SK에코플랜트는 지난 2022년 2월 싱가포르의 전기·전자 폐기물 처리 회사인 테스(TES)를 1조2000억원에 인수했다. 테스는 지난해 12월 중국 장쑤성에 폐배터리 재활용 공장을 준공하기도 했다. 두산에너빌리티도 배터리 재활용 전문 자회사인 두산리사이클솔루션을 설립했다. 두산리사이클솔루션은 대구에 공장 준공을 준비하고 있다.

원료 확보·폐수처리·LFP 재활용이 숙제

배터리 재활용 사업의 성공 여부를 결정하는 가장 큰 열쇠는 안정적인 원료 확보다. 지금 당장은 전기차에서 나오는 폐배터리의 수가 많지 않은 상황이기 때문에 배터리 재활용 업체들은 주로 배터리 제조 과정에서 나오는 스크랩을 주 원료로 사용하고 있다. 현재 재활용 원료 중 스크랩의 비중이 80~90%에 달하는 것으로 파악된다.

소재 및 배터리셀 기업들과 완성차 기업들이 직접 재활용 사업에 뛰어들고 있는 것은 기존 재활용 전문 기업들에는 위기 요인이 될 수 있다. 경쟁이 치열해지면서 향후 원료 수급에 어려움을 겪을 수 있기 때문이다. 수요 기업들은 수익성 측면보다는 원료 확보 차원에서 재활용 사업에 관심을 두는 것으로 분석된다.

파쇄된 배터리 잔해. 사진출처=프린스톤대학, 교보증권리서치센터 재인용

글로벌 경쟁 또한 심화하고 있다. 미국, 유럽, 중국 등 주요 시장에서 현지 기업들이 배터리 재활용 사업을 활발하게 전개하고 있다. 북미의 레드우드머티리얼즈, 어센드엘리먼츠 등이 대표적이다. 글로벌 네트워크를 갖춘 대기업들도 배터리 재활용 사업에 진출하고 있어 이들의 움직임도 지켜봐야 하는 상황이다.

배터리 재활용 기업들은 정부 차원에서 배터리 회수 시스템 제도를 도입해줄 것과 해외 폐배터리 수입 규제를 완화해 줄 것을 요구하고 있다.

채택 비중이 늘어나고 있는 리튬인산철(LFP) 배터리 재활용도 이슈로 떠오르고 있다. 현재 기업들은 삼원계 배터리 재활용에 중점을 두고 있다. 리튬뿐 아니라 니켈, 코발트, 망간 등 수익성이 높은 희소 금속을 추출할 수 있기 때문이다.

반면 LFP 배터리는 경제성이 부족해 재활용하지 않고 폐기하는 것으로 알려졌다. 이는 향후 심각한 환경 문제를 야기할 수 있다. SNE리서치에 따르면 2023년 기준 양극재 적재량 중 LFP는 45.6%로 전체의 절반을 차지한다.

성일하이텍은 올해 LFP 배터리 재활용 파일럿 라인을 구축하고 2026년 양산 체계를 갖출 계획이다. 영풍, 포스코HY클린메탈도 LFP 배터리 재활용 기술을 개발하고 있다. 하지만 금속을 추출하는 비용이 높아 수익성을 갖추는 것이 풀어야 할 숙제가 되고 있다. 재활용 기업들은 LFP 배터리 재활용에 대한 정부의 인센티브를 기대하고 있다.

습식 공정에서는 망초라고 불리는 황산나트륨이 발생하기 때문에 환경 오염 이슈도 뒤따르고 있다. 이에 따라 폐수 무방류 시스템을 갖춘 배터리 기업들이 경쟁력 측면에서 유리할 것으로 보인다.

<참고문헌>

한국투자증권, 폐배터리 Made in 도시광산, 2023.6.1
교보증권, 요즘 2차전지 뭐봄?-폐배터리, 2023.7.18
KOTRA, 미국 리튬 배터리 재활용 정부 정책 동향, 2024.1.12
한국무역협회, 2024년주요EU통상규제핵심내용, 2024.1.24
성일하이텍, 리튬이온배터리의 리사이클 현황 및 신기술 소개, 2024.3.26