배터리 생산은 환경 재앙인가?

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EV는 우리의 공기를 더 맑게 해주고 있지만, 여전히 구름이 그 위를 덮고 있다. 자동차 업계의 전기화 경쟁 여파를 제시 크로스(Jesse Crosse)가 알아봤다

그린우드는 배터리 R&D 분야의 선도적인 권위자이다
그린우드는 배터리 R&D 분야의 선도적인 권위자이다

전기 자동차(EV)의 확산이 한창이지만, 배터리에 필요한 막대한 양의 코발트, 망간, 리튬을 공급하는 과정에서 환경과 윤리적인 목표로의 대규모 전환이 위협받을 수 있다는 지적이다.

워릭 매뉴팩처링 그룹의 첨단 추진 시스템 전문가인 데이비드 그린우드는 리튬 이온 배터리가 매우 복잡한 것이라고 설명한다. “EV 배터리는 여러 재료의 혼합이다. 일부는 강철과 알루미늄 같은 일반적인 엔지니어링 재료이고, 다른 일부는 활성 물질인 전기 화학 부품이다.”

음극은 일반적으로 실리콘과 같은 첨가제가 있는 흑연으로 만들어진다. 흑연은 천연(채굴 및 정제) 또는 합성일 수 있다. 배터리에서 가장 비싼 재료는 양극용이다. 이것이 배터리 전체 비용의 약 1/3을 차지한다.

“사용되는 재료는 다양하다. 어떤 것은 장거리용 자동차에 더 유리하고, 다른 것은 저렴한, 단거리용 차에 더 낫다. 그리고, 그 사이에 있는 것들도 있다”라고 그린우드는 말한다.

“주요 화학 물질은 니켈-코발트-알루미늄(NCA)과 니켈-코발트-망간(NMC)이다.”

“니켈은 큰 공급 문제가 없다. 니켈은 엔지니어링 산업을 위해 이미 대량으로 생산되고 있으며 스테인리스강을 비롯한 많은 것들에 사용되고 있다. 문제가 되는 것은 코발트이다.”

코발트의 대부분은 콩고민주공화국(DRC)에서 나온다. 약 70%는 세계 표준에 따라 운영되는 대기업 광산 회사에서 나오지만, 약 30%는 규제가 잘 되지 않는 소규모 비공식 광산에서 나오며, 인도주의적인 우려가 따른다.

어쨌든 코발트의 양은 줄어들고 있다. NMC 배터리는 한때 니켈 6, 코발트 2, 망간 2를 포함했다(622로 알려진 공식). 오늘날, 최첨단 배터리는 코발트와 망간의 양을 절반으로 줄여 니켈 9, 코발트 1, 망간 1로 만든다(811 또는 955로 알려져 있음).

볼보는 코발트 공급을 추적하는 많은 EV 제조업체 중 하나이다
볼보는 코발트 공급을 추적하는 많은 EV 제조업체 중 하나이다

코발트를 함유하는 배터리는 일반적으로 장거리 또는 고성능 자동차에 사용되며, 최근에는 보급형 및 중거리용 차에도 사용되고 있다.

이제 두 번째 범주인 리튬-철-인산 배터리가 부각된다. NMC보다 용량과 효율이 낮지만 니켈이나 코발트는 포함되어 있지 않다. 망간으로 ‘도핑’하여 LMFP 배터리를 생산하면 성능이 향상된다.

미래에는 두 가지 배터리 범주가 있을 것이다. 첫 번째는 장거리 및 고성능 차를 위한 고에너지 밀도 NMC 배터리가 지배할 것이다. 두 번째는 단거리 및 중거리 차를 위한 저렴한 LMFP 배터리이다.

그린우드는 장기적으로 “LFP는 나트륨 이온 배터리로 대체될 수 있다. 고급이면서 가장 확실하지 않은 기술은 솔리드 스테이트이다. 이것은 매우 유망하지만 아직 양산 준비가 되지 않았다. 솔리드 스테이트 배터리가 출시되려면 최소 5년 또는 아마도 8년 이상의 시간이 걸릴 것이다”라고 말한다.

기존 기술이 의존하는 광물 중 가장 논란이 되는 두 가지는 엄청나게 풍부한 리튬과 훨씬 더 희귀한 코발트이다. 벤치마크 미네랄 인텔리전스의 데이터 책임자인 캐스파 롤스는 리튬이 두 가지 방법으로 채굴된다고 설명한다:

“첫 번째는 전형적인 광석 추출이다. 광석은 5.5-6% 농축액으로 환원된 다음 일반적으로 화학 처리를 위해 중국으로 간다. 광석은 리튬을 포함하는 결정성 물질 스포듀민을 생성한다.”

두 번째는 살라르라고 불리는 높은 고도의 소금 호수에서 추출하는 것이다.

“리튬은 시간이 지남에 따라 주변 지질에서 침출되어 땅 속에 풍부하게 된다”라고 롤스는 설명한다. 리튬이 풍부한 염수는 지하 호수에 자연적으로 모이고 나서 거대한 규모로 증발 분지에 퍼 올려진다. 염수가 충분히 농축되고 몇 년이 지나면, 정제해서 리튬을 추출한다.

EV에 대한 수요 증가는 천연 자원에 부담을 줄 것이다
EV에 대한 수요 증가는 천연 자원에 부담을 줄 것이다

살라르의 환경적 영향은 논란의 여지가 있고, 지하에서 추출한 염수가 지표면의 빗물로 대체되어 가뭄을 일으키고 야생동물에게 영향을 준다는 우려가 있다.

개발 중인 새로운 프로세스는 미래에 이러한 상황을 완화시킬 수 있지만 상업적으로 실행 가능한 방법은 아니다. 롤스는 “직접 리튬 추출(DLE)이라고 한다”라고 설명한다.

“리튬은 실시간으로 염수에서 추출되고, 그 후 염수는 다시 대수층으로 퍼진다.”

EV는 리튬과 코발트와 같은 광물에 대한 세계적인 수요를 크게 증가시킬 것이다. 롤스는 말한다. “공급 사슬은 확장되고 있지만 에너지 전환을 위해 필요한 수준에는 도달하지 못했다.”

공급 체인은 2030년까지 수십만 톤, 일부 광물의 경우 수백만 톤으로 증가해야 할 것으로 예상된다.

하지만, 광산과 광물 생산은 새로운 것이 아니다. 롤스가 지적했듯이, “토지 오염, 배출물, 토지의 올바른 복구 등 채굴과 관련된 모든 종류의 위험이 있다.”

이 모든 것이 리튬, 강철, 알루미늄, 구리, 코발트에 적용된다… 땅에서 채굴된 모든 것은 내연기관 자동차와 EV에 들어간다.

전 세계 리튬의 절반 이상이 채굴되고 있는 호주에서는 엄격한 환경 규제가 적용되고 있다. 한편, 전 세계 코발트의 약 60%가 생산되는 DRC에서는 코발트 채굴이 정밀 조사를 받고 있다.

EV 배터리 팩은 제조하기가 복잡하다
EV 배터리 팩은 제조하기가 복잡하다

“DRC의 과제는 생산량의 절반 이상이 구리와 코발트를 대량 생산하는 산업 광산에서 나온다는 것이다”라고 롤스는 말한다. 그리고 작은 산업 광산 그룹과 세 번째로 작은 영세 광산(ASM)이 있다.

“일부 ASM은 물질을 추출할 권한이 없기 때문에 불법 채굴을 해왔다. 아동 노동의 사례도 있었다”라고 그는 말한다. “소규모 채굴은 원칙적으로 손으로 하는 것이 문제될 것이 없고, 수천 명의 사람들의 생계가 거기에 달려 있다. 그것은 단지 안전하고 일정한 기준을 충족하면 된다.”

콩고 정부는 ASM의 관행을 규제하기 위한 조치를 취했다. 예를 들어, 2019년에 콩고 최대 광산 회사인 게카마인스로 하여금 EGC(Entreprise Générale du Cobalt)를 만들도록 했다.

자동차 회사들도 배터리에 사용되는 원료의 추적성을 보장하기 위해 자체적인 조치를 취했다. 그린우드가 지적했듯이, “자동차 업계는 공급망 관리에 최선을 다하고 있다. 왜냐하면 그들이 가장 원하지 않는 것은 또 다른 디젤게이트이기 때문이다.”

메르세데스-벤츠는 RCS 글로벌에 코발트에 대한 공급망 감사를 의뢰했다. BMW는 DRC가 지원하는 리스폰서블 코발트 이니셔티브의 이사회에 속해 있다. 폭스바겐은 리스펀서블 미네랄스 이니셔티브의 일환으로 코발트에 대한 인증 시스템을 개발하고 있다. 볼보는 2019년에 코발트를 포함한 재료의 추적성을 보장하기 위해 공유 데이터 네트워크를 구축했다. 그리고 올해 1월, 글로벌 배터리 얼라이언스는 만들어진 모든 배터리가 인권, 아동 노동, 배출물 기준을 충족하도록 보장하기 위해 배터리 패스포트 계획에 대한 개념 증명 시험을 시작했다.

이러한 문제는 궁극적으로 리튬 사용을 완전히 피하는 새로운 환경 영향 기술을 통해 개선될 수 있다. 그린우드가 앞서 언급한 나트륨 이온 배터리가 한 예이다.

“나트륨은 매우 풍부하고 바다 소금 등 많은 자원으로부터 얻을 수 있다”라고 그는 말한다. “LFP보다 비용이 저렴하고 성숙도가 낮은 기술이지만, 성공하고 있다. 에너지 밀도는 현재 약 160Wh/kg에서 180-200Wh/kg 정도로 개선되어야 한다. 고정 어플리케이션에 먼저 적용된 후에 처음부터 자동차 시장에 진입할 가능성이 높다.”

분명한 것은 배터리 산업이 기술의 제조와 성능 모두에서 빠르게 진화하고 있다는 것이다. “우리는 이제 막 발견된 과학을 사용하지 않는다”라고 그린우드는 결론을 내린다. “최고의 배터리 화학은 4년 또는 5년 동안만 최고의 자리에 머물 뿐이며 다시 무언가가 그것을 대체하기 마련이다.”

배터리 재활용

리튬 이온 배터리 재활용은 이미 확립되어 있으며, 산업 기업 및 워릭 매뉴팩처링 그룹 같은 학술 기관과 함께 모든 주요 자동차 제조업체가 추구하고 있다.

EU에서는 배터리 지침(Battery Directive)에 따라 배터리의 수명이 다할 때 최소 50%를 재활용해야 한다고 규정하고 있지만, WMG의 데이비드 그린우드에 따르면 더 엄격한 규칙이 시행되고 있기 때문에 이 수치는 더 나아지고 있다.

그린우드는 “WMG에서 이에 대한 연구가 진행 중이며, 몇 가지 특허를 출원했다”라고 말한다. “우리는 10년 안에 재활용률을 50%에서 80-95%로 높이고 싶다.”

향후 규제는 리튬과 같은 특정 재료의 최소 재활용량을 규정할 뿐만 아니라 새 배터리에 재활용 재료의 사용을 의무화할 가능성이 높다.

재활용 과정은 파이로메탈루기라고 불리는 과정에서 코발트와 같은 금속을 추출하는 용광로를 포함한다. 음극을 재활용하기 위한 용매로 물이 사용되며, 양극재에 사용되는 독성 용매인 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)는 폐쇄 루프에 갇혀 재사용된다.

가장 큰 문제는 재활용 의지가 아니라 소재 부족이다. 심지어 1세대 닛산 리프 배터리도 매우 강력한 것으로 입증되어 대부분의 배터리는 2차 수명 고정 애플리케이션에 사용된다. 

글·제시 크로스(Jesse Crosse)

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