배터리 밸류 체인 강화

배터리 제조 산업은 최근 수십 년 동안 일상 생활에서 휴대성과 유연성의 중요성이 증가함에 따라 엄청난 성장을 경험했습니다. 현대의 리튬 이온(Li-ion) 배터리는 1990년대 소비자 가전 제품용으로 처음 개발된 작은 규모로 시작하여 현재는 휴대폰, 노트북 등의 필수품이 되었습니다.

테슬라의 공동 설립자인 마틴 에버하드는 여러 개의 리튬 배터리를 조립하여 전기 자동차(EV)에 전력을 공급함으로써 중요한 진전을 이루었습니다. 그는 노트북 배터리를 생산하는 데 사용되는 기술을 훨씬 더 큰 배터리를 비용 효율적으로 제조하는 데 적용할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그 결과, 테슬라와 다른 전기 자동차 제조업체들은 이를 기존의 배터리 공급망에 통합했습니다. 2008년형 플래그십 모델인 테슬라 로드스터는 400km(250마일)의 주행 가능 거리와 200km/h(130mph) 이상의 최고 속도를 자랑하는 6,831개의 리튬이온 노트북 배터리로 구동되었습니다. ¹

전기차 외에도 기후 변화에 대한 우려로 인해 풍력, 태양열, 지열 등 지속 가능한 발전 기술로의 전환이 가속화되고 있습니다. 이러한 에너지 원의 간헐적인 발전 능력 때문에 배터리 저장 장치가 필수적입니다. 또한, 전통적인 전력망을 보완하기 위해 마이크로 그리드에 지속적으로 전력을 공급하는 데 현대식 리튬 배터리가 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이는 데이터 센터와 여분의 전력이 필요한 기타 애플리케이션에 특히 중요합니다.

리튬은 채굴, 정제, 배터리 제조, 운송 등 여러 단계와 과정을 거쳐 지구에서 도매 및 소매 시장으로 이동합니다. 따라서 리튬 배터리 가격에는 모든 중간 단계가 반영됩니다. 큰 리튬 배터리는 상당히 비쌀 수 있습니다. 예를 들어, 테슬라 모델 S의 교체용 배터리 팩은 8,000~10,000달러에 판매됩니다.

배터리 밸류체인은 네 가지 주요 단계로 구성되어 있습니다:

1. 업스트림: 광부들은 리튬, 코발트, 망간, 인산염, 니켈, 흑연을 추출하여 리튬이온 배터리 제조에 사용합니다.
2. 중간 단계: 프로세서와 정제업체는 음극과 양극의 활성 부품을 생산하고, 상품 거래자들은 이 활성 부품을 배터리 셀을 조립하는 회사에 판매합니다.
3. 하류 단계: 배터리 제조업체는 셀을 모듈로 조립한 다음, 도매업자나 소비자 재판매업자에게 판매합니다.
4. 수명이 다한 배터리: 배터리 재활용업체는 사용한 배터리를 여러 가지 방법을 통해 새로운 배터리를 생산하는 데 재사용할 수 있는 개별 부품으로 분해합니다.

리튬은 주로 호주, 아르헨티나, 볼리비아, 칠레에서 상업적 규모로 채굴됩니다. 호주에서는 스포듀민 노천 광산이 리튬 광석의 대부분을 처리하는 데 사용됩니다. 서호주에 있는 그린부시 광산은 세계 최대 규모의 경암 리튬 광산으로, 연간 약 56억 달러 상당의 리튬 스포듀민을 생산합니다.

북미와 남미에서는 고대 염전 아래에서 발견되는 염수에서 리튬이 농축됩니다. 생산자들은 이 염수층을 뚫은 다음, 건조층으로 유체를 펌핑합니다. 건조층에서는 유체의 대부분이 증발하고, 리튬 염이 남습니다. 브롬과 같은 다른 광물도 건조층의 농축물에서 추출할 수 있습니다.

원자재를 채굴한 후에는 사용 가능한 형태로 정제해야 합니다. 블룸버그 NEF ² 에 따르면, 중국, 한국, 일본은 세계 최고의 배터리 제조 국가입니다. 현재 중국은 리튬이온 배터리의 글로벌 공급망을 장악하고 있으며, 전체 리튬이온 배터리의 80%, 음극의 70%, 양극의 80%를 생산하고 있습니다. 또한, 중국은 전 세계 리튬, 인산염, 코발트, 흑연의 절반 이상을 가공하고 정제합니다.

그 뒤를 이어 한국과 일본이 배터리 생산에 크게 기여하고 있습니다. 한국은 전 세계 음극 전극의 15%, 양극 전극의 3%를 생산하고, 일본은 각각 14%, 11%를 생산합니다.

리튬 광석 정제 과정은 분쇄, 소성, 분쇄, 황산염화를 포함하는 시멘트 제조 공정을 따릅니다. 침출과 여과를 통해 알루미나, 망간, 칼슘과 같은 다른 광물을 제거합니다. 이 과정은 배터리 등급의 탄산리튬이 얻어질 때까지 계속됩니다.

배터리 제조에는 전체 배터리 셀 조립과 셀 조립이 필요합니다. 주요 구성 요소로는 음극, 양극, 전해질이 있습니다. 리튬 이온 음극은 주로 리튬으로 만들어지고, 양극은 탄소로 만들어집니다. 각 셀은 전도성 전해질로 채워진 배터리 재료를 담을 수 있는 분리막과 케이스를 포함합니다.

양극과 음극은 활성 물질, 전도성 물질, 결합제로 구성된 슬러리를 만들어 만들어집니다. 그런 다음 슬러리를 필름 또는 호일 기판에 증착합니다. 호일을 절단하고, 다듬고, 캘린더링하고, 두 개의 가압 롤러 사이에서 평평하게 펴서 배터리에 맞춘 다음 건조시킵니다. 용제는 재사용을 위해 회수됩니다.

양극과 음극이 완성되면 그 사이에 분리막을 설치합니다. 그런 다음 전체 케이스를 전해질 젤로 채웁니다.

전형적인 공급망의 도전과제 중에서도 배터리 밸류체인은 안전과 지속가능성을 보장하기 위해 철저한 감독이 필요한 독특한 특성을 가지고 있습니다. 우선, 염수, 광석, 기타 필요한 원자재의 일관된 공급을 보장하기 위해 공급망을 신중하게 관리해야 합니다. 배터리 제조의 상당 부분이 중국에 집중되어 있지만, 원자재는 전 세계에서 공급되기 때문에 운송 중단은 큰 혼란을 야기할 수 있습니다.

또한, 리튬 이온 배터리 제조 과정에서 고체, 액체, 기체 폐기물이 발생합니다. 이로 인해 환경에 악영향을 미칠 가능성이 있으며, 특히 환경 규제가 느슨한 지역에서 더욱 그렇습니다.

리튬 이온 배터리는 화재나 폭발의 위험이 있기 때문에 제조, 폐기, 재활용에 관한 엄격한 기준을 적용하는 것이 중요합니다. 출처가 의심스러운 위조 배터리는 이러한 위험을 더욱 악화시킬 수 있습니다.

리튬이온 배터리의 재활용도 쉽지 않습니다. 유해 폐기물로 간주되지만, 제조업체들은 이러한 배터리를 재사용함으로써 상당한 에너지 절감을 달성할 수 있으며, 폐기 시 환경에 미치는 부정적인 영향을 제거할 수 있습니다.

리튬이온 배터리 생산 비용은 원자재의 품질 요구 사항, 품질 관리에 대한 강조, 복잡한 제조 절차 및 대량 수요로 인해 높습니다. 예를 들어, 순수한 배터리 등급 리튬 1톤을 생산하려면 289톤의 광석, 750톤의 염수, 또는 28톤의 리튬 이온 배터리가 필요합니다. ⁵

연구자들은 이러한 도전과제들을 해결하기 위해 나트륨 이온 배터리의 실현 가능성을 조사하고 있습니다. 나트륨은 리튬보다 훨씬 풍부하고, 채굴하기 쉽고, 훨씬 저렴합니다. 또한, 휘발성이 적고 안정적입니다.

액체 전해질에 에너지를 저장하는 플로우 배터리도 그리드 규모의 에너지 저장 장치로 사용하기 위해 연구되고 있습니다. 이러한 유형의 배터리는 전해질을 담을 수 있는 두 개 이상의 탱크로 구성되어 있으며, 전기화학 전지를 통해 전해질이 펌핑되어 전기를 생산합니다.

그러나 나트륨 이온 전지와 플로우 배터리는 리튬 이온 전지에 비해 부피와 무게 대비 에너지 밀도가 낮습니다. 또한 효율성이 낮아 최종 사용 애플리케이션의 신뢰성이 떨어집니다. 따라서 가까운 미래에 리튬 이온 배터리는 여전히 주요 기술로 선택될 것입니다.

리튬 이온 배터리는 휴대용 전력의 혁명을 일으켜 스마트폰, 전동 공구, 전기 자동차, 마이크로 그리드와 같은 혁신적인 기술의 실현을 가능하게 했습니다. 전 세계가 재생 에너지와 전기 이동 수단으로 전환함에 따라, 배터리 수요는 계속 증가할 것입니다. 그러나 복잡하고 전 세계적으로 연결된 리튬 배터리 밸류체인은 상당한 도전과제를 제시합니다.

전 세계적으로 지속 가능성을 보장하기 위해서는 원자재의 윤리적 조달을 보장하고, 생산 과정 전반에 걸쳐 환경에 미치는 영향을 완화하며, 배터리 재활용 문제를 해결해야 합니다. 나트륨 이온 배터리와 같은 전기화학 대체품이 가능성을 보여주고 있지만, 리튬 이온 기술은 여전히 배터리 분야에서 지배적인 위치를 차지하고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 2050년까지 탄소중립을 달성하기 위한 전 세계적인 에너지 전환과 탄소 저감 노력의 한 요소일 뿐입니다.