도시 광산: 폐배터리가 전기차 혁명을 구할 수 있을까요?

수학 문제

2030년 공급 차트를 보면 벽이 보입니다. 국제에너지기구(IEA)는 계속해서 경고등을 깜박이고 있습니다. 글로벌 기후 목표를 달성하려면 세계는 2030년까지 리튬 공급을 약 500%~700% 늘려야 합니다.

여기에 그 수학의 문제가 있습니다. 호주나 캐나다에서 새로운 암석 리튬 광산을 건설하는 데는 4~7년이 걸립니다. 칠레나 아르헨티나에서 염수 추출 작업을 구축하는 데 거의 10년이 걸릴 수 있습니다. 제안된 모든 광산 프로젝트가 오늘 승인을 받았다고 하더라도 허가 문제, 지역 반대, 물 부족 문제를 무시하고 공급은 여전히 ​​예상 수요에 미치지 못할 가능성이 높습니다.

업계는 구조적 적자를 보고 있다. 현재 2024년 리튬 가격 하락은 장기적인 공급 과잉을 가장한 일시적인 과잉입니다. 미국과 유럽에서 차세대 기가팩토리가 가동되면 압박이 다시 시작됩니다.

이러한 현실로 인해 자동차 제조사와 정책 입안자들은 이용 가능한 유일한 다른 자료 소스를 살펴보아야 했습니다. ‘어반 마인(Urban Mine)‘은 10년 된 닛산 리프에 탑재된 배터리 팩이 낭비가 아니라는 개념을 일컫는다. 전략은 이러한 팩을 고급 광석으로 보는 방향으로 전환됩니다.

납산의 선례

리튬 재활용의 잠재적인 성공을 이해하려면 모든 내연기관 자동차에 사용되는 소박한 납축 배터리를 살펴봐야 합니다.

납축전지는 역사상 가장 많이 재활용된 소비재로, 미국과 유럽에서는 회수율이 99%를 넘습니다. 이 폐쇄 루프 시스템은 두 가지 주요 이유로 작동합니다. 첫째, 형식이 고도로 표준화되어 있습니다. Ford든 Toyota든 배터리는 사실상 동일해 보입니다. 둘째, 화학적 성질이 균일하다. 납판과 황산은 가공이 간단합니다.

리튬 이온 배터리에는 아직 이러한 이점이 없습니다. Tesla Model 3는 원통형 2170 셀을 사용합니다. GM Hummer EV는 파우치 셀을 사용합니다. BYD 씰은 프리즘형 “블레이드” 배터리를 사용합니다. 그 케이싱 내부의 화학적 성질은 매우 다양합니다. 일부는 NMC(니켈-망간-코발트)를 사용합니다. 다른 것들은 리튬-철-인산염(LFP)을 사용합니다.

이러한 조각화로 인해 엄청난 엔지니어링 장애물이 발생합니다. 코발트 회수를 최적화하는 재활용 시설은 코발트가 포함되지 않은 LFP 팩으로 인해 비용이 손실됩니다. “도시 광산”은 균일한 금맥이 아닙니다. 가공이 시작되기도 전에 정교한 선별 기술이 필요한 혼란스러운 광물 혼합물입니다.

심층 분석: “블랙 매스”란 무엇입니까?

재활용의 경제학을 이해하려면 “블랙 매스(Black Mass)“를 이해해야 합니다.

리튬 이온 배터리를 파쇄하고 플라스틱과 케이스를 제거하면 활성 양극 및 양극 재료가 포함된 어두운 분말 물질만 남습니다. 이것이 블랙 매스입니다. 리튬, 코발트, 니켈, 망간, 흑연의 강력한 혼합물입니다.

광석 등급의 장점

도시 광산에 대한 주요 경제적 주장은 엄밀히 말하면 지질학적입니다.

• 경암 채굴(스포듀민): 일반적으로 1%~2%의 리튬 농도를 산출합니다. 광부들은 1톤의 제품을 얻기 위해 99톤의 폐석을 옮깁니다.
• 블랙 매스: 중량 기준으로 20%~40%의 유가 금속 함량을 함유할 수 있습니다.

프로세서는 지구상 최고의 천연 매장지보다 최대 10배 더 풍부한 자원을 효과적으로 채굴하고 있습니다. 이 밀도는 OpEx 계산을 근본적으로 변화시킵니다. 거대한 파쇄기나 수 마일에 달하는 컨베이어 벨트가 필요하지 않습니다. 화학적 정밀도가 필요합니다.

불에서 물로: 파이로 대 하이드로

역사적으로 재활용은 건식 야금(제련)을 의미했습니다. 작업자는 배터리를 용광로에 던졌습니다. 유기 물질(플라스틱, 분리막, 전해질)이 연소되어 공정에 열을 제공합니다. 그 결과 합금에는 코발트와 니켈이 포함되어 있었지만 2020년대의 고유한 보물인 리튬은 대부분 슬래그 속에서 손실되었거나 회수하는 데 값비싼 추가 단계가 필요했습니다. 이 방법은 값비싼 코발트를 회수하는 데 효과적이지만 현대적인 효율성 테스트에는 실패했습니다.

업계는 유압제련으로 전환했습니다. 배터리를 태우는 대신 프로세서는 수성 화학 물질(산 및 용제)을 사용하여 검은 덩어리를 용해합니다.

1. 침출: 산은 금속을 액체 용액으로 용해시킵니다.
2. 용매 추출: 특정 화학물질이 특정 금속에 결합합니다. 이를 통해 엔지니어는 순수한 황산리튬, 황산니켈, 황산코발트를 하나씩 꺼낼 수 있습니다.

이 접근 방식은 95% 이상의 회수율을 요구하며 이는 경제성을 실현하는 데 매우 중요합니다. 그러나 폐수 관리라는 새로운 복잡성이 발생합니다. 수백만 갤런의 산성 용액을 처리하려면 엄격한 환경 제어가 필요합니다. 이것이 바로 미국이나 유럽에 이러한 공장을 건설하는 데 화학 공장을 허가하는 것과 거의 같은 시간이 걸리는 이유입니다.

폐쇄 루프: 레드우드 재료

Tesla 공동 창립자 JB Straubel이 설립한 Redwood Materials는 이 화학의 산업화된 미래를 대표합니다. 그들의 주장은 단순한 “재활용”이 아닙니다. 폐쇄형 국내 공급망을 구축하는 것입니다.

물류는 이 산업의 킬러입니다. 1,000파운드 EV 배터리를 재활용하기 위해 전국으로 운송하는 데는 상당한 화물 비용이 듭니다. 배터리는 클래스 9 위험물로 분류됩니다. 전문 트럭과 인증된 운전자가 필요합니다. 회수된 금속 가치의 30%를 물류비가 차지하면 비즈니스 모델이 무너진다.

Redwood의 전략에는 루프의 위치 파악이 포함됩니다. 이들은 기가팩토리에서 스크랩을 수집하는데, 생산 과정에서 자재의 5~10%가 종종 낭비되는 경우가 많으며 수명이 다한 셀도 있습니다. 그들은 이를 처리하고 배터리급 재료를 동일한 공장으로 직접 공급합니다.

검증의 경제학

Redwood는 본질적으로 미국 자동차 제조업체가 보안을 위해 프리미엄을 지불할 것이라고 확신하고 있습니다. 광산이나 정크 서랍에서 음극까지 원자를 제어함으로써 중국 정유에 의존하는 지정학적 위험을 제거합니다.

현재 데이터에 따르면 재활용은 저가격 주기 동안 순수 kg당 비용을 기준으로 채굴하는 것보다 아직 저렴하지 않습니다. 그러나 비즈니스 모델은 현재 Section 45X 생산세 공제에 따라 유지됩니다.

2025년 ‘하나의 큰 아름다운 법안’(OBBBA)으로 9월 소비자 EV 구매 보조금이 종료되었지만 산업 생산 크레딧은 그대로 유지되었습니다. 섹션 45X는 재활용업체에게 전극 활물질 생산 비용의 약 10%를 지불합니다. 이 연방 수표는 미국의 재활용 비용과 국가 보조금을 받는 중국의 정유 비용 사이의 격차를 해소하는 유일한 방법입니다.

위험한 현실: 열 활주로

도시 광산에는 더 어두운 면이 있습니다. 암석을 채굴하는 것은 위험하지만 암석이 폭발하는 경우는 거의 없습니다. 수명이 다한 배터리는 휘발성입니다.

“열 폭주”는 손상된 셀이 단락되어 가열되어 인접한 셀이 발화될 때 발생합니다. 단일 EV 팩은 독성 불소 가스를 방출하고 1,000°C를 초과하는 온도에서 연소될 수 있습니다. 재활용 시설은 거의 모든 다른 산업 부문보다 화재 위험이 더 높습니다.

이 위험 프로필은 보험료와 시설 설계에 영향을 미칩니다. 충돌한 차량에서 손상된 팩을 안전하게 배출하고 분해하려면 발화를 방지하기 위한 로봇 분해 라인이나 수중 파쇄 기술이 필요합니다. 이러한 안전 프로토콜은 재활용 스타트업에 상당한 CapEx를 추가합니다. 좋은 화학을 갖는 것만으로는 충분하지 않습니다. 폭탄 방지 기계 공학이 필요합니다.

미래 기술: 직접 재활용

습식제련이 현재의 표준이지만 직접 재활용이라는 새로운 영역이 떠오르고 있습니다.

전통적인 재활용에서는 음극 구조를 원자 성분(리튬, 니켈, 코발트)으로 분해한 다음 다시 구성합니다. 이는 마치 레고 성을 녹여 플라스틱 벽돌을 만든 다음 다시 성을 짓는 것과 같습니다.

직접 재활용은 성을 그대로 유지하려고 시도합니다. 음극 결정 구조를 완전히 파괴하지 않고 치유합니다. “사용된” 음극 물질에 새로운 리튬을 주입함으로써 기업은 에너지 집약적인 완전한 화학적 분리 단계 없이 배터리 전력을 회복할 수 있습니다. 대규모로 상업화되면 재활용 비용을 30% 더 절감할 수 있으며, 최종적으로 도시 광산이 실제 광산보다 확실히 저렴해질 수 있습니다.

중국 요인: 의무적 복구

서방이 스타트업과 벤처캐피털에 의존하는 반면, 중국은 무차별적인 규제를 사용하고 있다.

중국은 이미 정제 단계를 장악하고 있으며 전 세계 리튬의 약 60~70%, 코발트의 80%를 처리하고 있습니다. 이제 그들은 2차 시장을 폐쇄하고 있습니다. 새로운 규정으로 인해 제조업체는 복구 채널을 구축해야 합니다. 정부는 중요 광물에 대해 엄격한 회수율 목표를 설정했습니다.

• 니켈 및 코발트: 98% 이상의 회수율을 목표로 합니다.
• 리튬: 85% 이상의 회수를 목표로 합니다.

이는 제안 사항이 아닙니다. 이는 시장 접근에 대한 명령입니다. 고효율 재활용을 강제함으로써 중국은 국내 시장(세계 최대 규모)에 배치된 막대한 양의 배터리가 글로벌 현물 시장이 아닌 자국 공급망으로 반환되도록 보장합니다.

평결: 필요한 완충 장치

재활용이 발굴을 이기나요? 아직 아님. 오늘은 아닙니다.

폭발적인 신규 수요 증가에 비해 수명이 다한 배터리의 물량은 아직 너무 적다. 도로에 운행되는 대부분의 EV는 6년 미만의 차량입니다. 그들은 아직 고철장에 도달하지 않았습니다. 향후 10년 동안 글로벌 공급망은 추출에 의존해야 합니다.

하지만 2030년이 지나면 계산이 뒤집어집니다. 최초의 대규모 EV 세대가 퇴역함에 따라 Urban Mine은 지구상에서 가장 크고 일관되며 가장 깨끗한 배터리 금속 공급원이 될 것입니다.

투자자와 정책입안자들에게 교훈은 분명합니다. 오늘날 Black Mass의 화학을 마스터한 회사들은 2040년대의 유정을 건설하고 있습니다.

출처 (4)

• carboncredits.com Lithium Shortage Looms by 2030
• mckinsey.com Battery 2030: Resilient, Sustainable, and Circular
• energy.gov National Blueprint for Lithium Batteries
• sprott.com Sprott Lithium Outlook