복잡한 전기차 배터리 공급망 탐색하기

전기 자동차(EV)의 세계적인 보급 확대는 복잡하고 진화하는 리튬이온(Li-ion) 배터리 공급망에 의존하고 있으며, 이 공급망은 원료 광물 추출, 배터리 부품 제조, 셀 조립을 포함합니다. 이 정교한 공정의 각 단계는 독특한 도전과제이자 기회입니다.

공급망의 주요 도전과제 중 하나는 증가하는 전기차 수요와 진화하는 배터리 요구 사항을 충족할 수 있는 충분한 광물 가용성을 확보하는 것입니다. 21세기 초반의 소비자용 전기차는 매우 컴팩트했기 때문에 당시 대부분의 리튬이온 배터리 팩이 제공할 수 있는 제한된 주행거리를 극대화하는 데 도움이 되었습니다. 예를 들어, 2016년형 쉐보레 스파크 EV는 길이가 3.7m(147인치)에 불과하고 주행 거리가 132km(82마일)에 불과했습니다. ¹ 그러나 지난 10년 동안 차량 크기, 주행 거리, 성능에 대한 기대치가 높아지면서 차량당 더 많은 셀 수와 유리한 광물 조합을 갖춘 더 큰 배터리 팩이 필요하게 되었습니다.

또한, 전기 자동차와 리튬 이온 배터리의 수명이 다해 감에 따라, 업계는 지속 가능한 재활용 방법을 개발해야 하는 문제에 직면해 있습니다. 이러한 노력은 폐기물을 최소화하고, 원자재와 원자재가 추출되는 환경에 대한 부담을 줄이는 데 필수적입니다.

지난 10년 동안 전 세계적으로 전기차 채택이 급증했으며, 2023년에는 전기차 판매량이 1,050만 대에 달할 것으로 예상됩니다. 여기에는 완전 충전식 전기차와 플러그인 하이브리드 전기차가 모두 포함됩니다. ² 전기차 판매량 증가세는 2030년까지 연평균 32%의 복합 성장률을 보일 것으로 예상되는 등 둔화될 기미가 보이지 않습니다. 이러한 수치는 강력하고 지속 가능한 배터리 공급망 솔루션의 필요성을 강조합니다.

대부분의 배터리와 마찬가지로, 전기차 배터리도 다양한 양의 리튬, 코발트, 니켈, 흑연을 함유한 희토류 광물로 구성되어 있습니다. 이러한 재료의 대부분은 화석 연료를 지속적으로 채굴하고 연소하는 내연기관(ICE) 차량의 연료와는 달리, 순환 경제에서 재사용 및 재활용이 가능합니다.

리튬과 기타 희토류 광물은 지구에서 도매 및 소매 시장으로 이동하는 과정에서 여러 단계와 과정을 거칩니다. 이 단계에는 채굴, 정제, 배터리 제조, 조립, 배송이 포함됩니다.

리튬 배터리의 가격에는 모든 중간 단계가 반영되어 있으며, 더 큰 전기차 배터리는 상당히 비쌀 수 있습니다. 예를 들어, 2024년에 교체용 테슬라 모델 S 배터리 팩의 가격은 미화 8,000달러에서 10,000달러 사이입니다.

EV 배터리 여정은 필수 희토류 광물이 채굴되는 광물이 풍부한 지역에서 시작됩니다. 이러한 재료의 대부분은 광물이 풍부한 광석으로 추출되어 정제, 가공, 침출, 정제 과정을 거칩니다.

그러나 책임 있는 환경 보호 조치가 시행되지 않는다면 채굴 작업은 삼림 파괴, 서식지 손실, 수질 오염의 원인이 될 수 있습니다. 또한, 한정된 지역에 희토류 광물이 집중되어 있다는 사실은 지정학적 취약성과 잠재적인 공급망 붕괴에 대한 우려를 불러일으키고 있으며, 업계 이해관계자들은 시장에 대한 집단적 감시를 유지하고 잠재적인 영향을 사전에 완화하기 위해 협력해야 합니다.

업계는 광물 다각화 노력, 보다 환경친화적인 채굴 방법, 배터리 광물 재활용 기능의 향상을 통해 이러한 도전에 대응하고 있습니다. 이러한 조치는 지정학적으로 민감한 재료에 대한 의존도를 줄이고, 광산 주변의 생태계를 보존하며, 수자원을 보호할 것으로 기대됩니다.

중간 과정에서는 원자재를 배터리 등급의 복합 재료로 변환하는 작업이 필요합니다. 이 단계에는 배터리 전극 코팅과 배터리 셀의 음극과 양극 사이의 전해질 층을 생산하는 데 필수적인 수산화물, 탄산염, 염과 같은 화합물로 리튬을 처리하는 작업이 포함됩니다.

배터리 음극은 셀 성능에 큰 영향을 미칩니다. 대부분의 전기 자동차 음극은 코발트와 니켈 합금의 조합이지만, 더 안전하고 효율적이며 다양한 금속 조합을 사용하는 실험이 진행되고 있습니다.

리튬 이온 양극은 일반적으로 흑연으로 코팅된 구리박으로 구성되어 있으며, 충전 및 방전 중에 리튬 이온을 위한 호스트 구조를 제공합니다. 이 구성 요소는 정밀한 크기로 분쇄된 특수 흑연에 의존하며, 구리 표면에 적용됩니다.

대부분의 전기 자동차 배터리는 수천 개의 개별 셀로 구성되어 있기 때문에 이러한 중간 단계 절차는 상당한 규모로 수행됩니다. 안전하고 효율적인 배터리를 위해서는 재료의 순도와 제조 품질을 보장하는 것이 중요하며, 생산 공정을 모니터링하고 제어하기 위해서는 정교한 공정 기기 및 분석기가 필요합니다.

제조 후, 구성 요소들은 셀로 결합되는데, 일반적으로 전기 자동차의 경우 원통형입니다. 그런 다음, 이 셀들은 장거리 주행에 적합한 전력을 차량에 공급하기 위해 대형 배터리 팩으로 조립됩니다.

장거리 주행에 적합한 전력을 공급할 수 있는 배터리를 제공하는 것은 소비자 시장과 상업 시장 모두에서 전기 자동차의 생존 가능성을 높이기 위한 핵심 요구 사항입니다. 운전자는 수백 마일을 주행한 후 몇 분 만에 주유소를 이용할 수 있는 풍부한 네트워크를 이용하여 내연기관 차량을 충전하는 데 익숙합니다. 반면, 전기차 충전소는 거의 없고, 전기차 배터리를 충전하는 데는 대부분의 충전소에서 최대 몇 시간이 걸립니다.

이러한 단점을 극복하기 위해 충전 인프라를 지속적으로 확장해야 하며, 특히 고출력 고속 충전에 중점을 두어야 합니다. 에너지 저장 용량이 더 크고 성능이 더 우수한 배터리의 사용이 증가하면, 특히 차량이 장기간 주차되어 충분한 충전 기회를 제공하는 소비자 및 상업 시장에서 일부 타당성 문제를 완화하는 데 도움이 됩니다.

수소 연료 전지 개발은 충전 시간 문제를 해결하기 위한 또 다른 기술적 옵션이지만, 대부분의 지역에서 연료 보급 인프라가 매우 부족하여 수소 연료 전지 차량은 당분간 대부분의 시장에서 사용하기 어려울 것입니다.

리튬 이온 배터리는 내부에 저장된 에너지와 사용된 반응성이 높은 원자재 및 화학 물질 때문에 위험할 수 있습니다. 스파크에 노출되거나 심하게 변형되거나 잘못 제작된 경우 연소되기 쉽습니다. 또한, 리튬 기반 전해질의 분해로 인해 에틸렌, 메탄, 수소와 같은 가연성 가스가 공기 중에 방출될 수 있습니다.

손상이나 부적절한 충전으로 인해 배터리가 과열되는 열 폭주는 전기차 배터리의 심각한 문제입니다. 이런 일이 발생하면, 열이 점점 더 높아지면서 전해액이 증발하고, 이로 인해 셀 케이스가 손상되어 가연성 가스가 방출됩니다. 과충전으로 인해 셀 내부에 금속성 리튬이 형성되어 내부 단락이 발생하고 주변 습기와 반응할 수 있습니다. 일단 이런 반응이 시작되면, 자체적으로 지속되기 때문에 전원을 차단해도 멈추지 않을 수 있습니다. 안타깝게도, 열 폭주는 화재가 발생하기 전까지는 감지하기 어렵기 때문에 고품질 셀 제조의 중요성이 강조됩니다.

최근 전기차 배터리 공급망에서 재활용은 중요한 측면이 되었습니다. 업계가 수명이 다한 전기차의 배터리 부품 폐기물이 급증하는 문제에 직면하고 있기 때문입니다. 전기차의 보급이 증가함에 따라, 귀중한 금속을 회수하고, 환경에 미치는 영향을 최소화하며, 새로운 전기차 배터리 생산을 위한 채굴을 보충하기 위한 효율적이고 지속 가능한 재활용 방법에 대한 필요성도 증가하고 있습니다.

EV 배터리는 소형 리튬 이온 배터리와 유사한 방식으로 열 및 습식 제련을 통해 재활용할 수 있습니다. 그러나, EV 배터리의 크기와 무게, 복잡성으로 인해 효과적인 광물 회수의 어려움이 배가됩니다. 다양한 재활용 시설이 이 작업에 접근하는 방식이 다릅니다. 일부는 숙련된 작업자 팀을 활용하여 수동으로 EV 배터리 팩을 분해하는 반면, 다른 일부는 산소를 제한하고 연소 위험을 줄이기 위해 불활성 액체에 담그면서 배터리를 완전히 파쇄합니다.

도전과제에도 불구하고 전기차 배터리의 재활용 효율성은 빠르게 향상되고 있으며, 로봇 분해와 같은 혁신적인 기술 덕분에 그 규모가 확대되고 있습니다. 전기차의 보급이 급증하고 배터리 기반 에너지 저장 시스템이 확산됨에 따라 향후 재활용이 필요한 배터리의 수가 그에 비례하여 증가할 것이기 때문에, 대규모 배터리 재활용은 점점 더 중요한 연구 분야가 되고 있습니다.

급증하는 전기 자동차 배터리 수요를 충족하기 위해서는 광업, 제조, 조립, 재활용 과정에 이르는 안정적인 공급망이 필요합니다. 또한, 이 산업은 효율적인 배터리 팩 생산을 유지하기 위해 지리적으로 분산된 지역에 걸쳐 부품과 재료의 원활한 흐름을 보장해야 합니다.

전기 이동 수단으로의 전환은 도전과제를 제시하지만, 탄소 배출량을 줄이고 대기 중 온실가스를 제한하려는 전 세계적인 노력의 중요한 부분입니다. 전기차 공급망의 도전과제를 지속 가능하게 해결하려면 책임 있는 원자재 조달 관행을 구현하고, 채굴의 환경 영향을 완화하며, 제조 및 조립 과정에서 품질을 엄격하게 관리하고, 배터리 재활용 기술에 지속적으로 투자해야 합니다.