1) 건식 제련(Pyrometallurgical Process)

- 건식 공정은 폐배터리의 고온 용융 환원 과정을 거쳐 니켈, 코발트, 구리 등을 추출하는 공정이다.

- 먼저 300도 이하 열처리 공정 통해 유기물 성분인 전해액, 바인더 등을 제거해야 한다. 바인더의 경우 양극 활물질과 접착력이 강하기 때문에 양극 분말 회수에 악영향을 주기 때문이다.

- 이후 후처리 과정에서 1,000도 이상의 고온 용융 공정 통해 메탈 파우더(니켈, 코발트 등)와 슬러그(리튬, 망간 등) 형태로 분리되며 유가 금속 추출(야금) 과정을 통해 니켈, 코발트, 구리 등을 뽑아낸다.

- 리튬이나 알루미늄은 보통 용융 공정을 통해 소실되며 슬러그라 불리는 폐품으로 잔존하게 된다

- 슬러그는 양극재 원료로 사용이 불가능하나 콘크리트 등의 산업용 원재료로 사용될 수 있다

- 건식 공정은 전처리 공정이 필요없어 비교적 간단하고 화학반응 속도가 빨라 대량 공정이 가능한 것이 장점이지만, 용융 공정에서 고가의 제련 설비와 에너지 소비가 필요하고, 유독한 불소 배출로 인한 환경문제 등을 야기하며, 원료 회수율은 습식 공정 대비 낮은 수준이다.

​

2) 습식 제련(Hydrometallurgical Process)

- 습식 제련은 전처리에서 생산된 블랙 파우더를 침출(Leaching)시켜 용매 추출(Solvent Extraction) 공정을 통해 정제 화학물 및 금속 등의 형태로 회수하는 방식이다

- 침출 과정에서 니켈, 코발트, 구리 등의 유가 금속은 황산과 과산화수소를 이용하여 수용액 상태로 용해된다

- 용매 추출 공정을 통해 수용액에 함유되어 있는 목적 금속들은 선택적으로 추출이 가능하다.

- 일반적으로 습식 제련의 장점은 선택적 추출을 통해 건식 제련 대비 원재료 회수율이 높다는 것과 고순도 금속 추출이 가능하다는 것이며, 용융 공정이 없기 때문에 투자 비용을 줄일 수 있다. 다만, 용매인 고농도 산성 용액의 사용으로 폐수 처리 문제가 발생한다.

국내의 경우 폐배터리 처리 규정은 갖춰져 있으나, 배터리 재활용 및 재사용의 경우 현재 법안 논의 중인 상황이다. 2018 년 전기차 보조금 지급이 시행된 이후 보조금을 지급받은 전기차에 대하여 폐배터리 반납 의무를 부여하고, 지자체에서 관리하도록 규정했다. 2021 년 ‘전기전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률’ 개정을 통해 배터리 재활용 정책을 수정했으며, 폐배터리 반납의무를 폐지하고 미래폐자원 거점 수거센터4곳(경기, 충남, 전북, 대구)을 설립해 폐배터리를 재활용하는 시스템을 구축했다.

보조금을 받은 전기차의 경우 배터리가 지자체 소유로 귀속됐으며, 2020 년 12 월말까지 보조금을 받고 전기차를 구매한 소유주는 배터리 반납의무가 발생해 사용 후 배터리가 지자체로 반납되고 거점 수거센터로 이관하여 배터리를 위탁 처리하는 방식이다. 한편, 2021년 이후 구매한 소유주의 경우 배터리 소유권은 전기차 소유자에게 귀속되며, 지자체에서 운영하는 거점 수거센터에 배터리를 폐기할 수 있다.

전기차에서 발생하는 폐배터리가 본격적으로 발생하기 전까지는 배터리 제조 과정에서 발생하는 셀 스크랩(Manufacturing Scrap)이 당분간 배터리 리사이클링의 주 원자재가 될 것으로 전망한다. 셀 스크랩 물량은 글로벌 배터리 기업들의 신규라인 증설과 생산량 증가에 따라 급증할 것으로 추정되며, 배터리 업체들의 수율 98%(스크랩 발생률 2%)를 가정할 경우 셀 스크랩 발생량은 2021년 4만톤에서 2025년 14만톤으로 급증할 것으로 전망한다.

전기차의 배터리 교체 주기는 보통 7~10 년 수준으로 잔존수명(SoH, State of Health)이 초기 용량대비 70 ~ 80% 이하로 내려갈 경우 충전 속도 저하, 출력 이상, 주행거리 감소 등의 문제가 발생한다. 전기차 판매량 추이를 되짚어 보면, 2017 년부터 글로벌전기차 판매량이 100 만대 이상 판매되기 시작했으며, 중국은 2018 년부터 유럽은 2020년부터 100만대 이상 판매되기 시작했다. 이에 따라 전기차 폐배터리는 2025년부터 중국을 중심으로 의미 있는 규모로 발생할 것으로 판단하며, 2~3 년 후 유럽에서 그 후 미국은 2020년 후반부터 전기차 폐배터리 리사이클링 시장이 본격적으로 개화할 것으로 전망한다.

국내에는 리사이클링 전문 상장기업이 없지만, 미국에는 Li-cycle 이 2021 년 8 월 상장돼 가치 비교가 가능하다. Li-cycle 은 2016 년 설립된 배터리 리사이클링 전문기업으로 시가총액 13 억달러 수준에서 거래되고 있다. Li-Cycle 은 미국내에서 LGES, Glencore 등 유수의 기업들과 협업을 계획하고 있지만, 이제 전처리 공장 10,000 톤만보유(습식제련은 2023 년에 처음 가동)하고 있는 초기 생산 국면이고, 반면에 성일하이텍은 공장이 한국에만 있는 단점이 있지만, 오랜 업력과 습식제련 노하우를 보유하고 있는 강점이 있다. 습식제련 군산 3 공장 10,000 톤이 원활히 양산되고, 유럽과 북미 공장 설립의 로드맵이 구체적으로 제시된다면 Li-cycle 대비 시가총액이 낮을 이유는 없어 보인다.

최근에는 금속 침출 효율을 높이기 위해 선택적 침출 공정을 혼합하여 적용하는 추세다. 선택적 침출 공정이란 침출하고자 하는 타겟 메탈을 선택적, 단계적으로 침출시켜 메탈 회수율을 높이고 제련 과정을 간소화할 수 있는 공정이다. 각 단계별로 적용하는 화학물질의 차이, 적용 온도, 공정 Process(메탈 침출 순서 등)에 따라 회수율이 상이하다.

리튬 가격 급등에 따라 리튬 회수율을 높이기 위한 공정 Process 등이 개발 중인데, 리튬을 가장 앞단에서 침출시키는 공정과 공정 제일 끝단에서 침출시키는 공정이 있다. 리튬을 가장 앞단에서 침출시키는 공정의 경우 회수율을 높이기 위한 화학용제 처리등이 중요하다. 반면, 공정 끝단에서 침출하는 경우 공정을 거친 수용액상에 다른 금속이온과 물질 등이 섞여 있어 탄산리튬 순도를 높이기 위한 불순물 제거가 중요한 요인으로 작용한다

메탈 순도를 높이기 위해서 적용 화학물질의 농도, 용액의 pH(수소이온 농도), 온도 등 각 단계에서 반응 조건들을 통제하는 것이 중요하다. NCM 배터리의 경우 니켈, 코발트, 망간 화합물을 동시에 침출해 MCP(Metal Composite Precipitate)를 생산하고, 이 MCP 에 황산화 공정을 적용하여 전구체로 바로 제조하기도 한다. 이 경우 침출 공정복잡도는 감소하지만 불순물 제어, 용액상태의 MCP 를 운반하는 비용 등의 제약이 발생한다. 반면에 전구체 생산공장이 바로 붙어 있는 경우 건조 및 운송비가 발생하지 않아 원가 경쟁력 측면으로 작용할 수 있다

습식공정은 단계적으로 타겟 메탈을 추출하고, 추출된 메탈을 제련, 가공하여 재활용 소재를 생산하는 공정의 특성상 유가 금속 회수율이 높다는 장점이 있다. 하지만, 순도높은 메탈을 정제하기 위한 공정 설계 난이도가 건식공정에 비해 높고 세밀한 반응 조건 통제가 필요하다. 공정에 필요한 에너지량은 17.9MJ/kWh 로 건식(49.6MJ/kWh)공정에 비해 1/3 수준으로 공정에 소요되는 비용 또한 적다. 이에 따라, 중국을 비롯한 다른 국가(미국, 국내 등)에서도 습식제련 공정을 통한 리사이클링이 확산되고 있다.

건식공정은 비교적 간단하고 기존 공정(철 등 금속 생산) 개발 수준이 높아 공정 난이도가 쉽다는 장점이 있다. 하지만, 고온 용융로를 가동해야 하기 때문에 에너지 비용 소모량이 많고, 거대한 시설로 인한 감가상각비 등 비용이 많이 들며, 탄소발생량이 많은 단점이 있다. 비용 성격별로 직접비 16%, 간접비 47%, 고정비 9%, 기타(일반 경비 등) 29%로 추정되며, 공정에 필요한 에너지 사용량 역시 49.6MJ/kWh 로 가장 높다 (국내 1 인가구 1 일 평균 전력사용량 49.9MJ). 하지만, 건식공정은 공정 특성상 리튬과 같은 고부가가치 메탈의 회수율이 낮아 수익성은 상대적으로 낮다

지열별로 건식공정의 수익성을 비교해보면, 중국지역의 건식공정 수익성이 가장 높은데, 이는 정책 지원(세제 혜택 등), 저렴한 인건비, 에너지비용 때문으로 판단된다.

NCM, NCA 등과 달리 LFP 의 경우 낮은 리튬 회수율로 인해 건식공정 수익성이 좋지 않은 상황이다.