Energy & Future Tech

이차전지 재사용

Abstract

The reuse of secondary batteries, also known as battery reconditioning or battery refurbishment, refers to the process of extending the lifespan and functionality of used batteries. Secondary batteries, such as lithium-ion batteries commonly found in smartphones, laptops, electric vehicles, and renewable energy storage systems, can often be reused or repurposed after their initial use.
The reuse of secondary batteries offers several benefits. It helps reduce electronic waste and conserves valuable resources by extending the lifespan of batteries. It also reduces the demand for new batteries, which require raw materials and energy-intensive manufacturing processes. Reuse can also contribute to cost savings for consumers, as refurbished batteries are often more affordable than new ones.
However, it is important to note that not all batteries can be effectively reused, as their performance and capacity degrade over time. Additionally, proper recycling and disposal processes should be in place for batteries that are no longer suitable for reuse, ensuring their environmentally responsible handling.
Battery reuse involves several steps:
- Collection and Sorting: Used batteries are collected from various sources, including recycling centers, electronic waste facilities, and battery manufacturers. They are then sorted based on their type, chemistry, and condition.
- Inspection and Testing: The collected batteries undergo a thorough inspection and testing process to assess their capacity, performance, and overall health. This helps identify batteries that are suitable for reuse.
- Battery Refurbishment: Reusable batteries may undergo refurbishment processes to restore their performance and capacity. This may include cleaning, replacing damaged components, balancing cell voltages, and optimizing the battery management system.
- Repurposing: In some cases, batteries that are no longer suitable for their original application may be repurposed for less demanding applications. For example, an electric vehicle battery that no longer meets the requirements for automotive use may be repurposed for energy storage in residential or commercial settings.
- Quality Control: Reconditioned batteries undergo rigorous quality control checks to ensure they meet the necessary safety and performance standards. This includes testing for capacity, voltage stability, temperature regulation, and cycle life.
- Market Integration: Reused batteries that pass the quality control stage can be reintegrated into the market, either through sale to consumers or use in various industries. They may find applications in energy storage systems, backup power supplies, portable electronics, and other devices.

전기차전지(Secondary battery) 사용 후 활용 방안

1. 사용 후 배터리 활용

EV 배터리는 차량에 전원을 공급하기에 적합하지 않은 사용후 배터리의 경우 단순히 끝나는 것이 아니라 재사용, 재활용 등 여러가지 옵션이 있다. 일반적으로 전기차에 사용되는 배터리는 리튬이온 전지로 사용후 배터리의 경우도 재사용(Second Life)은 환경적, 경제적 측면에서 매우 중요하다.
사용후 배터리에 대한 활용옵션은 크게 재사용(Second Life) 및 재활용(Recycling)으로 나눌수 있다.
재사용(Second Life) 방식에는 배터리 SoH가 80~90% 이상인 경우 일부 셀 등을 교체하여 본래 목적대로 EV 배터리로 사용하는 재제조(Repurpose 또는 Remanufacturing) 방식이 있다. 또한 배터리 SoH가 70(60)~80% 이상인 경우 배터리 셀, 팩 등을 분해하여 EV 배터리가 아닌 다른 IT 기기 등의 전원 공급용, 전기 에너지 저장용 등의 목적으로 활용하는 재사용(Reuse) 방식이 있다.
또한, 사용후 배터리 SoH가 60% 미만으로 수명이 다하거나, 사고 등으로 재사용 조차도 불가한 경우에도 리튬, 코발트, 니켈 등 유용한 금속을 추출하여 새로운 배터리 제작에 사용하는 재활용(Recycle) 방식이 있다.

(사용 후 배터리 및 이차전지 구성 물질)

1) (재제조; Repurpose 또는 Remanufacturing) : 수리·부품 교체를 통해 성능을 복원해 전기차용으로 활용

2) (재사용; Reuse) 수리·부품 교체 후 에너지저장장치(ESS) 등 전기차 외 용도로 활용

3) (재활용; Recycle) 사용 후 배터리를 분해 후 리튬, 니켈 등 유가금속을 회수하는 방식

2. 배터리 재활용 필요성

1) 전기차 폐배터리의 세계 시장 규모는 이미 2019년에 1조 6,500억 원에 달할 정도로 관련 제품의 폐기물 증가

2) 전기차 배터리에는 각종 중금속, 전해액 등이 포함되어 있어, 사용 후 배터리 매립 시 토양오염 유발

3) 광산에서 원자재 채굴시 많은 양의 물 소비, 다량의 이산화탄소가 발생하면서 환경 문제가 대두

4) 가격 면에서도 니켈, 리튬 등 핵심 원자재 수요는 지속 증가하는 반면 채굴량이 한정되어 있고, 신자원 민족주의 대두와 전쟁 등 지정학적 리스크로 원자재 가격이 매우 불안정한 상황

3. 재사용과 재활용 방식 비교

1) 재제조(Repurpose 또는 Remanufacturing) 방식

전기차 배터리 재제조는 사용 후 배터리를 수리·부품 교체 등을 통해 성능을 복원해 전기차용으로 활용하는 방식이다. 즉, 전기차 배터리 잔존수명(SoH)이 80~90% 이상인 팩을 해체하여 셀(Cell) 단위로 검사하고 잔존가치가 낮은 셀을 교체하여 팩 또는 모듈을 재제조하여 전기자동차용 배터리로 활용하는 방식이다.

2) 재사용(Reuse) 방식

전기차 사용 후 배터리 재사용(Reuse)은 크게 배터리 팩을 해체하여 셀, 모듈 단위로 선별·재조립하는 방법과 배터리 팩을 그대로 재사용하는 방법으로 일반적으로 전기차 배터리 잔존수명(SoH) 70%(60%) 이상의 배터리를 사용한다.

(전기차 배터리 구성)

(1) 모듈과 셀 단위로 선별·재조립하는 경우 불량 모듈과 셀을 선별하고 용도에 맞는 최적의 ESS를 재구성할 수 있으나 추가 가공 시간 및 비용이 소요, 안전 확보를 위한 까다로운 작업환경이 필요

(2) 배터리 팩 단위 그대로 재사용하는 경우에는 안전하고 비용 절감이 가능하나 배터리 팩 비표준화로 용량 확대에 어려움이 있음

(3) 재사용되는 배터리는 대형 축전지(ESS), 골프 카트, 전동 굴착기, 무인 운반로봇(AGV), 소형 UPS, 파워뱅크 등에 사용될 수 있음

(ESS(에너지저장장치) & 초소형 전기차)

3) 재활용(Recycle) 방식

전기차 폐배터리 재활용(Recycle)은 방전, 물리적 해체 등의 전처리 공정과 후처리 공정(건식제련, 습식제련 등)을 통해 진행된다. 일반적으로 배터리 성능(SoH)가 60% 미만의 배터리의 경우에는 재활용처리시설에서 1, 2차 처리 후 리튬, 니켈 등 유가금속을 회수하게 된다.

(초음파식 수위계)

(이차전지셀 방전 전 / 후 천공테스트)

(1) 전처리 공정

방전시킨 배터리를 물리적으로 해체할 경우 배터리 재활용을 위한 전처리 공정, 즉 부품 회수, 기계적 분쇄, 블랙파우더 제조 과정 등이 있다. 배터리를 안전하게 블랙파우터로 만들기 위해서는 배터리 내에 잔존하는 전류를 방전시키는 것이 선행되어야 한다.

방전 방식에는 염수를 이용하여 방전시키는 습식방식과 초저온으로 배터리내 전해액을 동결시켜 방전 파쇄하는 동결방법 등이 있다.

초저온 동결 파쇄방법은 액화질소, LNG 냉열 등을 활용해 –50℃ 이하의 온도에서 배터리의 전해액을 동결시켜 전기를 차단해 화재‧폭발 위험을 제거한 후 초저온 동결파쇄 공법을 적용하여 전기차 폐배터리를 전처리하는 방식이다.

(2) 후처리 공정

후처리 공정으로는 크게 건식제련과 습식제련 방식이 있음

① 건식제련(Pyrometallurgy) 방식은 고온의 열을 가하여 금속을 추출하는 방식

- (장점) 기계적 분리 및 고온 열분해 방법으로 재활용 공정이 비교적 간단하며, 다양한 종류의 배터리 재료나 희소 금속을 직접 회수할 수 있음

- (단점) 전력 소비가 많고 처리 과정에서 유해 가스가 배출될 수 있어 배기가스 회수 설비 필요

② 습식제련(Hydrometallurgy) 방식은 주로 산-염기 용액을 사용하여 전극 재료의 금속을 추출하는 방식

- (장점) 저용량 설비가 가능하고, 배터리 금속 물질을 효율적으로 회수할 수 있어 제품의 순도가 높음, 또한 천연 광물 상태에서의 채굴보다 정제비용을 절감할 수 있으며,

배터리 종류별로 다양한 수익성 창출이 가능함

- (단점) 습식제련은 재활용 공정이 길고 복잡하며, 염산 등 부식성 용액 관리 비용 등 필요

4. 배터리 재사용 절차

배터리 입고 → 외관검사 → 팩 분석 → 모듈화 → 모듈 분석 → 등급분류 → 재제조, 재사용 또는 재활용

전기차와 충전기 ▶

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