새만금 이차전지 폐수정보 인사이트 vol.1

이차전지 폐수, 새만금에서 이뤄지는 기회와 위기

안녕하세요, 에이알케이 홍보실 황민희입니다. 요즘 대한민국 산업계의 화두는 해외수처리 프로젝트의 수주 관련 인도네시아, 중동의 민자사업 진출의 호재 뉴스와 새만금 산업단지의 중국 룽바이사의 1조2천억원이 넘는 투자 소식입니다.

새만금 산업단지는 올해말까지 10조의 투자유치가 이뤄지는 시장으로, 대한민국이 반도체에 이은 집중 육성산업으로 선정, 미래가치가 밝은 분야입니다.

하지만, 폐수처리 문제와 환경법상의 적잘한 규제도 동시에 필요합니다.

이차전지 산업의 숙제. 환경보호와 폐수처리.

이런 호재 뉴스 속에서도 새만금 이차전지 산업단지는 폐수처리 시설 부족으로 인한 환경오염의 염려도 문제시 되고 있습니다.

이차전지는 충분한 처리 시설과 규제법이 뒤따라 준비되지 않는다면 환경오염이 발생할 수 있습니다.

하지만, 이와 같은 것들은 이차 전지가 주는 다양한 장점과 공존하는 문제로 충분한 수처리와 재활용이 주는 잇점을 생각한다면 극복해가는 과정입니다.

마찬가지로, 이차전지를 생산하거나 재활용하는 기업들도 미래를 위한 선의의 의도를 가지고 있기에 지나친 비난일색 보단 정부와 함께 환경 거버넌스를 맞춰가는데 집중해야 합니다.

이와 관련, 군산 새만금 산단은 아직 부족한 폐수처리 시설로 방류에 대한 고민을 가지고 있습니다.

새만금 산업단지의 25%가 이차전지 관련 기업들이기에 더욱 폐수처리에 대한 관심도가 증가하고 있습니다. 입주기업 68개 중 17개가 이차전지 기업이며 앞으로 늘어날 전망입니다.

중국의 경우 환경문제에 대한 인식과 자각이 매우 높아져, 이차전지 기술력이 높은 대한민국이지만 자국에서 이차전지를 생산하는 것에 대한 환경적 부담도 작용하고 있는 실정입니다.

현재는 정부와 지자체도 폐수처리에 대한 시설 확충과 규제를 위해 논의 중이며 발전과 규제가 동시에 밸런스를 맞추는 거버넌스를 갖춰갈 것입니다.

앞으로 전기차와 자율주행으로 인한 이차전지와 리튬 채굴은 가장 중요한 미래의 산업이자 리튬 전지의 재활용과 폐수 처리 또한 중요한 과제로 남아 있습니다.

그럼 본론으로 들어가 볼까요?

리튬 이차전지, 왜 각광이며 대한민국이 집중하는 이유

리튬 이차전지는, 대한민국의 모든 대기업들이 생산에 사할을 건 사업입니다.

반도체 부동의 1위의 자리를 대만의 TSMC에게 내주며 3나노 시장의 한계에서 더 이상 반도체는 3나노 이하의 공정은 한계와 더불어 비효율성이 산재했기 때문입니다.

초전도체, 솔리톤 입자, 3진법 등은 아직 세상에 나타나지 않았고 상용화 되지 않았습니다.

반도체 혁명은 1차적으로 기초 과학에서의 특이점을 가져올 무언가가 발견·발명이 되지 않는다면 상용화 단계까지 발전은 매우 더디기 때문에 반도체 시장은 사실상 한계에 다다른 상황입니다.

리튬 이차전지는 고출력과 고에너지 특성으로 인해 스마트폰, 노트북 등의 휴대용 모바일 전원뿐 아니라 하이브리드 자동차 등의 주된 에너지원으로 활용되고 있습니다.

때문에 국내 대기업들은 앞으로 전기 자동차가 일반화 될 기정사실에 맞춰 리튬 이차 전지에 사활을 건 상황입니다.

리튬 이차전지는 향후 전기 자동차 및 전력 저장 등의 용도로 핵심 소재가 될 것은 확실하며 양극과 음극에서 일어나는 산화·환원반응을 통해 지속적인 에너지의 저장과 사용이 가능한 전지입니다.

리튬 이차전지는 다른 전지에 비해 4V대의 높은 전압, -20도에서 50도 이상의 넓은 활용 온도, 100Wh/kg 이상의 높은 에너지 밀도, 1kW/kg 이상의 높은 출력 등의 장점을 가지고 있어 그 활용 범위가 더욱 넓어질 것으로 예상됩니다.

이차전지 폐수의 특성

_{출처 : 배터리 제조공정에서 배출되는 잠재 유해 물질에 대한 물벼룩과 발광박테리아의 생태독성: 리튬, 니켈, 황산염을 대상으로}

리튬 이차전지는 양극제를 사용하며 폐수는 중금속 폐수에 해당하며 다음과 같은 주요물질이 포함됩니다.

이중에 주요 재활용 대상은 양극활 물질의 구성물인 리튬과 코발트를 포함한 전이금속의 산화물입니다.

때문에, 폐수에서 자원재활용을 할 물질인 리튬과 코발트는 최대한 재활용하고 나머지 중금속에 대한 적절한 폐수처리가 동반되어야 합니다.

특히, 코발트의 경우 매우 비싼 금속으로 전세계 매장량이 적고 특정지역에 한정 돼 생산되는 회유금속에 해당합니다. 이러한 이유로 코발트는 EV용 이차전지에 생산적이지 못한 이유로 다른 방식의 이차전지 양극활이 선호됩니다.

리튬 이차전지의 폐수 주요물질

• 리튬
• 니켈
• 황산염
• 코발트
• 망간
• 알루미늄
• 아연

리튬 이차전지의 폐수 미량함유 물질

• 철
• 아연
• 크롬
• 베릴륨
• 바륨

리튬 이차전지의 구성요소

출처 : 폐리튬이온전지 재활용 관리방안 연구(환경자원연구부 자원순환연구과)

리튬이온전지의 구성요소 및 특성

리튬이온전지는 양극활물질, 음극활물질, 분리막, 전해액의 4가지 구성요소로 이루어져 있습니다.

• 양극활물질은 전기 에너지를 저장하는 역할을 합니다. 가장 많이 사용되는 것은 리튬코발트산화물이지만, 최근에는 원료물질의 가격 급등과 다양한 분야에 적합한 리튬이차전지에 대한 수요 증가로 인해 3원계 양극활물질(NCA/NMC), 인산철리튬 등이 연구되고 사용되고 있습니다.
• 음극활물질은 전자를 저장하는 역할을 합니다. 가장 많이 사용되는 것은 흑연이지만, 고에너지밀도와 출력을 향상시키기 위해 실리콘 음극활물질이 연구되고 있습니다.
• 분리막은 양극과 음극을 물리적으로 분리하여 단락을 방지하는 역할을 합니다. 일반적으로 폴리올레핀 계열의 소재가 사용됩니다.
• 전해액은 양극과 음극 사이의 이온 전달을 돕는 역할을 합니다. 일반적으로 유기 용매와 무기 염이 혼합된 용액이 사용됩니다.

이러한 구성요소 중 양극활물질은 리튬이온전지의 에너지 저장량, 저장 및 방전 속도, 사이클 수명, 열안정성 등을 결정하는 핵심 소재입니다. 따라서 양극활물질의 개발은 리튬이온전지의 성능 향상을 위한 중요한 연구 분야입니다.

양극활 물질에 따른 분류에 따른 폐수 성분

같은 리튬-이온전지라도 양극활 물질에 따라 다양한 리튬 이온전지로 분류 됩니다.

최근에 생산되는 EV용 이차전지와 기존에 이차전지는 다릅니다. 리튬이온전지의 종류와 사용처는 다음과 같습니다.

_{출처 : 환경자원연구부 자원순환연구과}

• LCO 방식 : 리튬코발트산화물(LiCoO2) : 1991년 SONY가 상용화
• LNO 방식 : LiNiO2
• NCA 방식 : 리튬니켈코발트알루미늄산화물(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)
• LMO 방식 : LiMn2O4(스피넬구조)
• LFP 방식 : LiFePO4(올리빈구조)

위 방식중 고출력과 안정출력이 필요한 전기자동차 배터리의 특성 관련해 가장 선호되는 양극활 물질은 LMO 방식과 LFP방식입니다.

전기 자동차용 이차전지는 출력특성이 우선시 되기에 HEV시장 상용화엔 양극활 물질로 가장 많이 사용되고 있다.

LFP(올리빈계 리튬인산 철(LiFePO4)은 층상계 양극 활물질과는 달리 매우 안정적인 구조를 가져 LCO에 비해 수명 특성이 우수하다는 장점 때문에 양극활 물질로 선호됩니다.

하지만 안전성, 가격에서 경쟁력이 있으나 아직 에너지 밀도 등이 낮아 고속 EV에 적용하기에 아직 문제가 있어 이를 극복하기 위해 Fe를 Mn이나 Ni등으로 치환한 고전압 올레빈 구조의 물질 추가 개발이 필요하다고 합니다.

이차전지 폐수의 자원재활용 주요물질은 무엇인가요?

리튬, 니켈, 황산염, 코발트, 망간, 알루미늄, 아연 등 입니다.

새만금 산업단지 입주기업중 이차전지 기업이 몇개나 되나요?

새만금 산업단지의 25%가 이차전지 관련 기업들이기에 더욱 폐수처리에 대한 관심도가 증가하고 있습니다. 입주기업 68개 중 17개가 이차전지 기업이며 앞으로 늘어날 전망입니다.

이차전지의 양극활 방식의 중류는 어떤것들이 있나요?

LCO 방식 : 리튬코발트산화물(LiCoO2) : 1991년 SONY가 상용화
LNO 방식 : LiNiO2
NCA 방식 : 리튬니켈코발트알루미늄산화물(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)
LMO 방식 : LiMn2O4(스피넬구조)
LFP 방식 : LiFePO4(올리빈구조)

리튬 이차전지의 폐수 미량함유 물질은 어떤것이 있나요?

철,아연,크롬, 베릴륨, 바륨 등이 있습니다.

다음화 vol.2 에선 해외의 EV용 이차 전지 폐수에 대한 연구자료와 공정에 대해 설명하는 글을 연재하겠습니다.

이차전지 산업 인사이트 연재시리즈

Vol.1 새만금 이차전지 폐수정보 인사이트 vol.1 : 보기

Vol.2 이차전지 염폐수란 무엇인가? ARK환경 : 보기

Vol.3 리튬채굴과 환경영향평가 – 이차전지 인사이트vol.3 : 보기

Vol.4 무방류시스템(ZLD)과 이차전지 폐수 – 배경과 장단점 : 보기

Vol.5 이차전지 폐수처리 관련 국내 업체리스트 : 보기