이차전지의 폐자원흐름 분석 및자원순환성 제고방안

Abstract

이차전지란 한 번 사용하고 버리는 일차전지와는 달리 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환시켜 충·방전이 가능한 전지를 의미한다. 니켈카드뮴전지, 연축전지 등 이차전지의 종류는 다양하나 이 중 리튬이차전지는 휴대폰 배터리를 비롯해 블루투스, 드론, 전기차(EV), 에너지저장장치(ESS) 등에 폭넓게 활용되어 오늘날 전지 시장을 주도하고 있다. 리튬이차전지 시장은 스마트폰의 상용화를 통해 시장 입지를 다졌으며, 최근 전기차의 급속한 보급과 ESS의 등장에 힘입어 시장규모가 크게 확대되고 있다. 이처럼 급성장하는 이차전지 시장의 속도에 상응하여 효용 만료 및 폐기 등을 통해 폐배터리의 형태로 그 배출 또한 급증할 것으로 전망된다. 하지만 현재 리튬이차전지가 폐기된 이후의 회수 및 관리체계가 미흡한 상황이다. 생산자책임재활용제도(EPR) 대상 배터리는 수은전지, 산화은전지, 리튬일차전지, 니켈카드뮴전지, 망간/알칼리망간전지, 니켈수소전지만을 대상으로 하고 있어 리튬이차전지는 관리의 사각지대에 있다. 특히 보조배터리, 전기차용 및 ESS용 폐배터리 등은 배출 이후 관리체계 및 처리 가이드라인이 부재한 상황이다. 또한 폐리튬이차전지는 잘못 관리될 경우 폭발 위험성이 높기 때문에 수송 및 처리에 있어 안전성이 요구된다. 현재 리튬이차전지 내 유가금속의 가격이 수요 확대로 인해 급격히 상승하고 있다. 희유금속인 코발트와 리튬은 양극활물질의 주요 성분으로, 양극활물질은 소재 원가의 40% 상당을 차지하는 핵심 소재이다. 국내 이차전지 업계에서는 코발트와 리튬을 전량 수입에 의존하고 있는 상황으로 국제 유가금속 가격 상승에 매우 취약한 상황이다. 이에 폐리튬이차전지의 자원순환 체계 마련을 통해 유가금속을 효율적으로 회수 및 확보할 수 있도록 정책적으로 지원할 필요가 있다. 해외에서는 자원 회수 및 안전성에 대비한 폐리튬이차전지의 관리체계 구축 및 재활용기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 하지만 국내의 경우 리튬이차전지가 배출된 이후 관리흐름에 대한 연구조차 미미한 상황이다. 이에 본 연구에서는 리튬이차전지의 폐자원흐름 분석을 통해 관리현황 및 체계를 파악하고 재활용을 저해하는 문제점을 분석하여 이에 대한 개선방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 소형(휴대폰용 폐배터리)/중형(전기차용 폐배터리)/대형(ESS용 폐배터리)을 대상으로 각각 ①배출단계, ②수거단계, ③전처리단계, ④자원회수단계, ⑤활용단계에 이르는 단계별 흐름을 파악하였다. 또한 향후 발생량 전망을 통하여 희유금속 회수에 따른 수입 대체효과를 산정하고 자원순환성 제고를 위한 배출-수거-전처리-자원회수의 관리기반을 마련하였다. 먼저 소형(휴대폰용 폐배터리)의 경우 배출 형태는 일체형과 분리형으로 나눌 수 있다. 일체형은 휴대폰에 내장된 채 배출되는 리튬이차전지로 주로 가정에서 배출되며, 휴대폰 유통 및 생산업체에서 배출되는 양은 상당히 미미하다. 가정에서 배출되는 폐휴대폰(폐배터리 포함)은 주로 9가지의 경로 - 새 제품을 구매하는 곳(이동통신사 대리점, 이하 대리점), 캠페인, 상시수거, 위탁회수, 한국정보통신진흥협회(KAIT), 대형마트, 우체국, 민간수집, 중고거래 ？ 에 해당하는 것으로 나타났다. 이 중 캠페인, 상시수거, 위탁회수, 한국정보통신진흥협회(KAIT) 등에서 회수되는 폐휴대폰은 한국전자제품자원순환공제조합(이하 공제조합)에서 관리되고 있다. 공제조합에서 취합한 폐휴대폰은 수도권자원순환센터(MERC)로 운송되어 본체에서 폐배터리를 분리한 후 이를 재활용업체에 판매하고 있다. 한편, 대리점에서는 중고휴대폰을 구매하여 민간 알뜰폰 사업자(MVNO: Mobile Virtual Network Operators)에게 임대폰으로 판매하거나 해외로 수출하는 것으로 알려져 있다. 공제조합 실무자와의 인터뷰에 따르면, 배출된 전체 폐휴대폰 중 약 98%가 수출되고 있는 것으로 파악된다. 그밖에 대형마트, 우체국 역시 최종소비자로부터 일정 금액을 지급하여 중고폰을 구입한 후, 민간업자에게 판매하는 것으로 조사되었다. 수집업체는 사업자 혹은 협회(한국중고통신유통협회 등)로 나뉘며, 각 기관에서는 민간 대리점, 대형마트, 우체국 등을 통해 수거된 중고 휴대폰을 수출하거나 중고시장에서 거래하고 있다. 중고거래는 전자상거래의 형태로 C2C (Customer to Customer) 혹은 C2B (Customer to Business) 등으로 이루어지고 있다. 한편, 분리형의 경우 배출 및 수거 방식 등에서 일체형과 다른 형태를 지닌다. 배출 주체는 사업장과 수입으로 분류되며, 배터리 제조업체에서 공정 중 부산물의 형태로 배출되거나 미국, 호주, 말레이시아 등에서 분말 및 폐배터리 형태로 수입되고 있다. 중고제품으로 팔리거나 공제조합 등에서 회수하고 있는 일체형과 달리, 분리형은 바로 재활용업체로 운송되어 재활용된다. 수입의 경우 일부 폐배터리는 수입업체를 통해 국내에 반입되어 재활용업체로 운송되며, 나머지 폐배터리 및 분말은 재활용업체에서 직접 수거하고 있다. 재활용업체로 운송된 폐리튬이차전지는 전처리 및 자원회수 공정을 거치게 된다. 이는 소형뿐만 아니라 전기차용 및 ESS용 배터리 등 다른 제품 유형의 리튬이차전지에도 동일하게 적용된다. 전처리단계에서는 원료 투입-파쇄-입도분리-자력선별-리튬전지 화합물 회수를 통해 수거된 폐전지를 파쇄해서 분말 형태로 만드는 과정이며, 자원회수 공정에서는 분말로부터 침출-여과-저장-추출의 과정을 통해 코발트, 황산망간, 니켈, 인산리튬, NMC 파우더 등을 회수할 수 있다. 추출된 유가금속 중 망간, 코발트, 리튬 등은 결정화 단계를 거쳐 메탈종류로 생산되며, 인산리튬은 탄산리튬 생산 공장을 거쳐 최종적으로 탄산리튬으로 전환 및 생산된다. 이렇게 회수된 유가금속(코발트, 황산망간, 니켈, 인산리튬, 탄산리튬, NMC 파우더)은 전구체 업체, 합금 제조업체, 활물질 제조업체 등에 판매된다. 코발트의 일부는 타이어 관련 제품 제조업체에도 납품되고 있다. 다음으로 중형(전기차용 폐배터리)의 경우에도 각 단계별로 관리현황을 조사하였다. 국내 배출은 ①개인, ②기관, ③사업체, ④제조사 등으로 구분된다. 전기차 소유주는 개인을 의미하나, 현재 국내에서 판매되는 전기차 대부분은 정부 및 지자체 보조금을 받고 있기 때문에 전기차 배터리는 지자체 소유로 구분된다. 기관이란, 공공기관에서 구매한 전기차량을 의미하며, 사업체는 버스회사를 뜻하는 운수업체, 전기택시업체, 렌터카업체, 배터리리스 사업체 등 4가지 유형으로 구분된다. 한편, 폐배터리 형태로 배출되는 분리형은 배터리 제조사와 완성차 제조사에서 주로 공정 중에 발생한다. 소형 배터리와는 달리, 전기차 배터리는 팩 상태로 출시되기 때문에 배터리팩 해체작업이 필요하며, 이는 수작업으로 진행되고 있어 현재는 제조사에서 재활용업체에 처리비용을 지불하고 처리하고 있다. 국내외적으로 전기차 보급이 급격히 늘어갈 것으로 전망되는 가운데, 전기차용 배터리 역시 2020년까지 약 200억 달러 시장을 형성하며 크게 성장할 것으로 예측된다. 전기차용 배터리는 각 형태에 따라 용량이 다르나, 휴대폰용 배터리 기준으로 4,300개의 배터리 용량에 해당한다. 본 연구에서 전기차용 폐배터리 발생량 추정 결과, 2017년에는 3대에 불과하나 2025년에는 8,321개의 폐배터리가 발생할 것으로 예측되며, 이는 1,976톤에 해당하는 수치이다. 하지만 현재 「대기환경보전법」에 따라 보조금이 지급된 전기차의 경우 폐차 혹은 수출 등 말소 시 해당 폐배터리를 지방자치단체의 장에게 반납하도록 하고 있으나, 그 이후의 관리체계가 마련되어 있지 않아 현장에서는 혼선을 빚고 있다. 또한 전기차용 폐배터리의 경우 발화 및 폭발 가능성이 높아 안전성에 대한 위험성이 지속적으로 제기되고 있으나, 이를 고려한 안전취급 지침 역시 부재한 실정이다. 이에 본 연구에서는 보조금 지급/미지급을 구분하고, 폐차 및 수출 등으로 말소되는 경우 이외에도 운행 중인 전기차 배터리에 대해 한계 효용에 도달했다고 소비자가 판단하는 경우, 교통사고 발생으로 파손의 우려가 있는 경우 등 크게 4가지 사항으로 구분하여 관리체계(안)을 마련하였다. 대형(ESS용 폐배터리)의 경우에도 정부로부터 ESS 설치 지원 혹은 전력요금 감면 등을 통하여 보조금이 지급되고 있으나, 이 역시 전기차 폐배터리와 마찬가지로 관리체계가 아직 구축되어 있지 않은 상황이다. 현재 개인 배출 ESS는 주로 가정용 ESS 형태로 배출될 수 있으나, 아직까지 국내 가정용 ESS 보급률은 상당히 낮은 상황이다. 기관의 경우 주로 공공기관에서 사용하고 있으며, 사업체의 경우에는 UPS나 발전소 등에서 주로 사용된다. 지금까지는 ESS용 폐배터리의 발생량이 없으나 향후 발생할 경우 지정업체를 통해 수거될 것으로 예상된다. 또한 LG화학, 삼성SDI, 코캄, 인셀, 탑전지 등 ESS 제조사에서 공정 부산물로 발생된 폐배터리 역시 향후 배출 시 재활용업체로 바로 보내질 것으로 판단된다.

A secondary battery is a battery which can be repeatedly charged by converting the external electric energy into a form of chemical one. Today, a secondary battery has been extensively used in many electrical and electronics equipment such as mobile phone, Electric Vehicle (EV), Energy Storage System (ESS), etc. However, there are several issues raised on how to manage these waste secondary batteries. Since the Extended Producer Responsibility (EPR) regulation only targets batteries made of mercury, silver-oxide, lithium primary, nickel-cadmium, manganese/alkaline-manganese, and nickel-hydride, lithium secondary batteries have been untouched for waste management. Moreover, waste battery products like portable chargers, EV battery and ESS has no disposal process guideline. Considering the risk of explosion and the trend of increasing price of valuable metals (cobalt, nickel, lithium, etc.) used in the lithium secondary battery, it is necessary to build a safe management and effective resource circulation system. Therefore, we conduct a secondary material flow analysis for the waste lithium secondary battery. With this analysis, we try to understand the domestic system of waste lithium secondary battery and find out the bottlenecks in the process of recycling. Lastly, we suggest applicable and improved plans by forecasting the expected amount of the waste lithium secondary battery, and estimated the effect of import substitution by recovering the rare metals. For this work to be done, we set the scope of this study into small size (for mobile), medium size (for EV) and large size (for ESS) of the lithium secondary battery and trace the flow of waste lithium secondary battery in the aspect of 5 stages, which are disposal stage, collection stage, recycling stage, resource recovery stage and utilization stage. For the small size (for mobile) of the lithium secondary battery, the mobile phone battery is to be divided into two types: the battery equipped with the mobile phone and the battery itself. In the stage of the disposal, most of the mobile phones are discarded by household, distributor and manufacturer of the mobile phone. Most of the used mobile phones are collected in 9 routes which are: 1) store where customer purchases new mobile phone, 2) the public campaign, 3) the public permanent collection spot, 4) consignment collection, 5) Korea Association for ICT Promotion (KAIT), 6) large retailers, 7) Post office, 8) private collector and 9) private second hand dealers. After that, some batteries are sent to the recycling center under the management of Korea Electronics Recycling Cooperative (KERC) and 98% of used cell phones are assumed to be sold overseas. The latter one comes from the battery manufacturer or imported from the abroad such as U.S., Australia, and Malaysia, and is directly delivered to the recycling companies which is specialized in handling the waste lithium secondary battery. In the recycling stage, waste mobile phone battery is treated with two sub-processes: 1) preprocessing stage and 2) resource recovery. This recycling process is adapted to the all types of lithium secondary battery. After the preprocessing stage, some of the metals such as cobalt, oxide manganese, nickel and lithium are produced in the resource recovery stage. These recovered metals are sold to the precursor, alloy and cathode active materials manufacturer. Some portion of the recovered cobalt is provided to the certain manufacturer, related to tire products. For the medium size (for EV) of the lithium secondary battery, we also conduct the research on the flow of waste EV battery. EV battery is discarded by car owners, public sectors, business sectors and manufacturers. Most of the owners of EV receive subsidies from the both federal and local governments. Therefore, the battery installed in a vehicle belongs to the local government. Due to increasing EV sales in the global automobile markets, EV battery market is likely to grow in certain extent to the worth two billion by 2020. In this research, we estimate the expected EV waste battery to be increased significantly to 8,321 by 2025 (which is equivalent to 1,876 ton). According to the「Clean Air Conservation Act」, the waste batteries subsided by the government are returned to the local government head in the case of scraping or exporting the EV. However, there are no collecting and recycling schemes for the EV waste batteries. Considering the risk of the accidental explosion of the EV battery, we need to establish a safe and effective management system for the EV waste battery. For the large size (for ESS) of waste lithium secondary battery, we also found there are no sound wastes manage schemes in Korea. ESS sold in Korea has been subsided by the government in the forms of supporting the installation or discounting the electricity bill. The ESS waste battery is assumed to be discarded by the household and the public/private sector including the power plants. In these days, the waste batteries produced during the manufacturing process are sent to the recycling company directly. We expect that in few years, the batteries would be discarded by the public or private sectors and treated by authorized center for collecting and recycling the waste. Based on the secondary material flow analysis for each size of the lithium secondary battery, we point out the several management issues and propose the efficient safety strategies. We have found five issues regarding on the small type of lithium secondary battery (mobile phone and portable charger) and also come up with four solutions in below. First, there are inaccurate statistical data indicating the domestic flow of mobile waste battery. After the end-users sell their used phones to the retailers, it is difficult to grasp all the detailed flow of them. It indicates that the small lithium secondary battery including portable charger, wireless vacuum cleaner is out of legitimate system. Second, we found that 54.5% of smart phone users still keep their used phones, and we assume that 24 million used-phones are stored in Korea. The collecting system is not the end-user friendly. Third, there is no safety guideline to collect and transport small lithium secondary battery. Without taping or discharging, explosion risks are considerable for the lithium secondary battery. Fourth, it is difficult to sort the lithium secondary battery into each type. The recycling companies have troubles in sorting the various types of the lithium secondary battery due to lack of the labels indicating the type of cathode active materials used. Lastly, it is necessary to improve the ‘Allbaro’ system to control the imported and exported lithium secondary battery. The level of importing lithium the secondary battery has been significantly increased by years and this is subject to the Basel Convention. This study suggests four solutions to the problems that are mentioned in above. The solutions are: 1) track back schemes by retailers which need to be expanded in the terms of scope and role. The retailers participating in the legitimate collecting program is only 2% of the mobile phone industry in Korea with results of the low rate in collecting the mobile phone waste battery. In addition, they need to provide their consumer information of collecting the waste lithium secondary batteries, 2) existing legitimate municipal guidelines need to indicate what and how to discard the waste lithium secondary battery under the「Act on Resource Circulation of Electrical and Electronic Equipment and Vehicles」need to be revised. Therefore, small size of the waste lithium secondary battery including portable chargers can be safely treated and discarded by the household, 3) the label which symbolizing the type of cathode active materials needs to be attached to the battery itself. However, the plastic label would be considered as impurities in the recycling stage, so imprinting directly on the product is recommended, 4) the classification of battery type code needs to be modified by adding the specified waste code, in order to appropriately managed them in statistical terms. Next, this study looks into the result of secondary material flow analysis for the medium (for EV) and the large (for ESS) size of the lithium secondary battery and found three issues as well as ten solutions. The issues are: 1) there are no management systems for the EV waste battery. Even though「Clean Air Conservation Act」shows that the subsided EV battery should be returned to the local government head, there is no detailed instructions on collecting and recycling schemes and infrastructures, 2) there are no safe guideline of how to handle the EV waste battery. For many years, the risk of EV battery has been debatable in regard of explosion and low shock resistance, 3) it is difficult to disassemble the waste battery pack. All the bolt and nuts used in those products require hand work system since these are in different shapes depending on the manufacturers, and models of the products. Therefore, recycling companies have difficulty in dismantling those waste products in the recycling stage. Based on those issues, we propose ten solutions as follows; 1) we suggest the management system of the waste battery from the electric car of which the subsidy was paid. We have established a management system that can safely dispose the waste lithium batteries into four types such as when the consumer judges that the electric car battery has reached the marginal utility or possibility of the damages due to car accidents, 2) Standard of the subsidy recovery payment about electric car waste battery necessary. The standard for EV has been applied to the standard for the emission control equipment under the 「Clean Air Conservation Act」. However, the characteristics of the EV battery are quite different from this equipment. Thus, we need to build a new standard of withdrawal subsidy applicable for EV battery, 3) we construct EV waste battery management system for un-subsided EV. There is no evident management system for it, which might cause serious social and environmental issues. In this system, all un-subsided EV would be granted as the safe and efficient management schemes by Reuse Center (tentatively named), 4) it is necessary to establish Reuse Center. Since even EV waste battery has 80% capacity of new one, they can be used as ESS, backup power system, street light, etc. For commercializing this EV waste battery, we need certain institution where deals with collecting EV waste battery, testing its performance and distributing it based on the test results. Therefore, Reuse Center would provide the EV end-user with convenient services including collection, performance test, based on the computational and accounting work regarding on the waste EV battery. Moreover, this center should be registered as a legitimate cannibalizer under the「Motor Vehicle Management Act」, 5) safety guideline for EV waste battery is required. According to the ADR (The European Agreement Concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road), it is essential for lithium secondary battery to be treated by authorized and trained person with protective gear, 6) we suggest a revised standard and handling method of specified waste. Despite the fact that NMC (Nickel, Manganese, and Cobalt) type of lithium secondary battery is currently treated under the「Wastes Control Act」and「Toxic Chemicals Control Act」, it is indispensable to draw up more specific and suitable guidelines of handling the lithium secondary battery especially about the explosion risk and noxious gas fuming, 7)「Act on Resource Circulation of Electrical and Electronic Equipment and Vehicles」needs to be revised to facilitate the recycling EV waste battery. In Korea, there is no supporting EV recycling device, including EV waste battery. Therefore, we suggest revision of 「Act on Resource Circulation of Electrical and Electronic Equipment and Vehicles」, 8) statistical systems under the domestic institution should be improved to count the EV and EV battery accurately. Although all the waste batteries and recovered weight of battery should be recorded in the EcoAS (Eco-Assurance System of Electrical and Electronic Equipment and Vehicles) under the「Wastes Control Act」, current statistical system related to the car and car battery omits the newly released EV and EV battery. Expecting increased number of the waste EV battery due to skyrocketing sales, we suggest improved statistical system with EV data. 9) it is necessary to assign the waste-EV-battery specialized team in each municipal offices. In reality, the team undertaking the EV battery in municipal office has been allocated based on its administrative condition, which is not easy for the owner of EV to solve the EV battery issues, 10) we suggest safe management system for ESS and promote eco-design for the efficient recycling process. Since there has been no management scheme for ESS, we assume that ESS waste battery needs to be treated in the Reuse Center. Furthermore, the process of recycling from disassembling the batteries to recovering the resources needs to be improved with cooperation between ESS manufacturers and recycle business. Based on the improvement plans suggested above, we expect that recovered valuable metals from the waste lithium secondary battery would be worth of 6% by 2027 and 15% by 2029 in the terms of import-substitution effect. Additionally U.S. EPA(2013) finds that the end-of-life stage, recovering metals or reusing products is significantly reducing the impact on the environment and human health, which emphasizes the importance of the recycling lithium secondary battery. Providing sound collecting and resource recovery system for the waste lithium secondary battery, the results from this study would be worthwhile for the stable supply of valuable metals and safe management system. Lastly, this research would contribute to establishing sound resource circulation society.