Porsche Consulting에서 출간한 Understanding the Automotive Battery Life Cycle에 대한 요약을 이어갑니다.
전기차 배터리(EV Battery)의 수명주기관리 (1/2) by Porsche Consulting
Insight 2. 중고 배터리의 일부분만이 2차 수명 용도로 사용될 것임(Only a certain proportion of used batteries will be feasible for second-life applications)
EOL 배터리의 재활용 방안으로 가장 널리 이야기되는 것이 에너지 저장 시스템(ESS)임. 신재생 에너지의 성장과 함께 첨두부하 저감(peak shaving), 백업, 최소비용의 에너지 공급을 위해 ESS 시장도 성장할 것임. 또 다른 재활용 방안은 중고 배터리의 재생산(remanufacturing)인데, 상대적으로 높은 SOH를 가진 모듈을 분리해서 예비부품으로 재활용한다거나 재조립을 통해 배터리팩을 생산할 수 있으나 아직은 초기 단계임.
지속가능의 측면에서 중고 배터리셀을 재사용하는 것은, 성장하는 ESS 시장에 대응하는 것은 물론이고 배터리 수명주기를 늘리는 가치가 있음. 단, ESS 수요는 2030년 최소 107 GWh로 성장하겠지만,
2030년에 공급되는 330 GWh의 EOL 배터리를 소화하기에는 ESS 시장규모가 적음. 아울러, ESS 용도로 쓰려면 SOH가 70-80%는 되어야 하며, SOH가 40-50%로 떨어지기 전까지는 사용할 수 있음. 그러나, ESS는 전기차 배터리와 달리 cycling stability, power density, cooling, shock resistance,
safety 등의 요구사항이 있고, cell
chemistry가 이러한 요구사항을 충족시킬 수 있어야 함. 현재는 NMC chemistry가 표준처럼 사용되지만, LFP의 사용이 늘어날 것이며 기술적 측면에서 LFP 셀은 2차 수명 용도로 사용하기에 더 적합함.
요약하면, 2차 수명 용도의 배터리 사용은 늘어나겠지만, 배터리의 건강상태(SOH) 및 Chemistry에 의해 영향을 받을 것임. 그리고, 2차 수명 용도로 용도변경하여 사용하기 위해서는 고장난 모듈의 교체 및 패키징, 냉각, 전기/전자 부품의 재배열(rearrangement)이 필요하기 때문에 추가적인 비용이 소요됨. 아울러, 배터리 가격이 급속히 하락하고 있어, 용도변경된 배터리가 새 배터리에 ㅂ비해 경제성이 있을지는 의문임.재사용 배터리의 경제적 가치 분석은 아직 해결되지 않은 영역으로 이런 이유때문에서라도 Predictive Battery Analytics는 중요함.
Insight 3. 배터리 리사이클링을 통해 원자재를 공급할 수 있으며, 경제적으로도 매력이 있을 것 같음(Battery Recycling can support raw
material supply and is likely to become economically attractive)
리사이클링은 원재료를 얻기 위해 배터리 부품을 분해하는 것으로, 리사이클링 프로세스의 효율성은 배터리의 순환경제를 만드는데 있어 직접적인 enabler임. 리사이클링이 매력적인지는 배터리 원가의 30% 이상을 차지하는 니켈과 코발트의 함량과 직접적으로 관련이 있음. LFP 배터리는 값비싼 재료함량이 떨어지기 때문에 경제적 매력도가 떨어짐. 전고체 배터리는 개발 초기 단계에 있어서, 아직 리사이클링을 논하기에 이름.
NMC111은 과거에는 표준 배합이었으나,
NMC622에 의해 대체되었고, 향후 10여년간 회수될 배터리는 NMC622이 대부분일 것임. 향후에는 NMC811이 대세가 될 것임. 리사이클링 프로세스는 배터리팩의 분해 및 방전에서 시작함. 현재 산업계에서는 습식야금(hydrometallurgy, 화학물질 회수)과 건식야금(pyrometallurgy,
용융) 또는 기계적 전처리(파쇄)가 함께 사용되고 있음. 년간 1,000 ton 이상을 처리하는 리사이클링 공장은 이미 가동되고 있음.
현재 대부분의 공장에서 음극(cathode)
또는 전해질(electrolyte)에서 리튬을 회수하지 못하고 있는데, 지속가능과 경제적 가치 측면에서 중요함. 향후 배터리 리사이클링에서 리튬 회수는 필수가 될 것임. 리튬은 분쇄를 통해 블랙 파우더를 얻고, 블랙파우더에 습식야금을 적용해서만 얻을 수 있음. 현재의 리사이클링 프로세스는 높은 회수율을 보이고 있는데, 리사이클링의 성공은 배터리의 회수율에 달려있음. 현재 전기차 용도가 아닌 전동공구 또는 전자제품에 사용 중인 리튬이온 배터리의 회수율은 약 50%임. EU는 회수율을 65-75% 이상 유지할 수 있도록 법적 규제를 하고 있는데, 규모의 경제 달성에 도움이 될 것임. 현재의 리사이클링 공장은 가동율이 떨어지고 있지만, 향후에는 가동율도 올라가고 운영비용도 떨어질 것임.
리사이클링의 경제성은 배터리 원재료의 가격에 달려있음. 리사이클링 공장의 처리, 팩키징, 운송비는 떨어지고 있지만, 결국 원자재의 가격이 리사이클링의 경제적 타당성을 좌우할 것임. OEM업체들의 전기차 비중이 높아짐에 따라, 원자재 가격은 상승할 것으로 예상됨. 아울러 탄소배출권의 가격도 중요한 요소됨. 배터리 생산 공정에서CO2 배출량이 크기 때문에, 배터리 리사이클링은 CO2 배출을 줄이는데에도 기여함. 용융공정은 에너지를 많이 사용하지만, 습식야금 공정은 CO2 저감의 기회가 큼. 1 KWh의 리사이클링 배터리당 약 20KG의 CO2 배출량을 줄일 수 있으며, EU내의 탄소배출권 가격과 상승추세를 감안할 때에 경제성에도 영향을 미칠 것임. 원자재 가격과 탄소배출권의 가격을 감안할 때에 2가지 시나리오를 생각해볼 수 있음. 각 시나리오는 NMC111에서 NMC622, NMC811으로의 전환을 감안했음.
시나리오 A는 원자재 가격이 천천히 상승한다고 가정하고, 탄소배출권 가격은 고려하지 않은 것인데, 리사이클링 공정의 규모 효율성에 따라 경제적 타당성이 결정됨. 시나리오 B는 OEM업체의 전기차 비중 증가에 따라 원자재 가격이 빠르게 상승한다고 가정하고, 탄소배출량 가격이 톤당 2020년 €50, 2025년 €100, 2030년 €150으로 상승한다고 가정한 것으로 보다 빠르게 경제적 손익분기점에 이를 것으로 보임.
결론
EOL 배터리는 리사이클링 되거나, ESS
등 2차 수명 용도로 재사용될 수 있음. 2차 수명 용도로 사용할 때에는 기술적, 경제적 측면이 고려되어야 함. 예를 들어, ESS 시장이 EOL 배터리를 소화하기에는 작고,
NMC보다 LFP가 ESS로는 더 적합함. 2차 수명 용도로로의 사용을 촉진하고, 새로운 비즈니스 모델을 만들기 위해서는 Predictive Battery Analytics의 발전이 필요함.
궁극적으로 EOL 배터리의 상당부분은 리사이클링 용도로 사용될 것인데, 폐배터리 회수율이나 리사이클링된 원재려의 활용에 대한 규제가 이를 촉진할 것임. EOL 배터리 리사이클링은 규모의 경제를 통해 비용을 낮출 것이고, 원재료 가격 및 탄소배출권의 가격 상승에 따라 리사이클링의 수익성은 빠르게 확보될 수 있을 것임
OEM 업체들은 파트너쉽 또는 직접적인 리사이클링 비즈니스 참여를 통해, 시장 점유율을 확보하고, 희소 원자재의 수급 리스크에 대응하는 것이 필요함
