2022. 5. 22. 14:08ㆍ리포트/철강ㆍ비철
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Part III. 또 하나의 광산, LiBs 리사이클링
Part I. 리튬 메탈 슬러그
중국의 막강한 수산화리튬 캐파 비중은 언제까지?
배터리용 수산화리튬 수요는 증가 중
2022~23년 리튬 수요증가의 주된 요인은 전기차 배터리향 수요다. 2021년 기준, 리튬 최종수요의 74%가 이차전지 향이었으며, 이는 2025년까지 75~80%까지 증가할 것으로 예상된다. 이차전지에 쓰이는 리튬은 제련공정을 거친 탄산리튬과 수산화리튬 두 가지 종류가 있다. 탄산리튬은 휴대폰, 노트북 같은 충전식 소용량 배터리와 LFP배터리에 쓰이고, 수산화리튬은 니켈과의 합성이 쉬워 전기차용 고용량 하이니켈배터리에 주로 쓰인다. 이에 따라 EV용 하이니켈배터리 생산이 늘어날수록 이차전지향 리튬 수요에서 수산화리튬의 비중도 2025년까지 45%→55%로 성장할 전망이다.
LFP (리튬 인산철, LiFePO4)
다른 리튬이온전지 (폴리머 포함) 등과 비교 시 발열성이 없어, 가연성 또는 폭발 등을 일으키지 않음으로써 안전성이 탁월하다. 또한 직류 측 입력 변동이 작아서 PCS 설계가 용이하고 ESS 절연전압도 낮출 수 있는 효과가 있으며 온도특성이 매우 좋아 자체 발열이 거의 없어서 주위 온도에 영향을 주지 않는다.
하이니켈 (High-nickel)
니켈 함량이 높은 배터리. 주행거리를 늘릴 수 있고, 동일한 용량의 배터리를 더 적은 무게와 작은 부피로 만들 수 있게 된다.
EV (electric vehicle)
순수 전기차로 가솔린·디젤 같은 화석연료 없이 오로지 전기에너지로만 구동되는 차량이다.
호주정부 데이터에 의하면 글로벌 리튬 수요는 2022년 64만톤, 2023년 78만톤, 2025년 110만톤으로 연평균 19%씩 증가할 것으로 전망된다. 이 중 이차전지 향의 비중을 75%, 이 중에서 수산화리튬의 비중이 45%→55%로 증가함을 가정하면, 글로벌 수산화리튬 수요는 2022년 21만톤, 2025년 46만톤으로 두 배 이상 증가할 것으로 전망된다.
글로벌 리튬 광물 자체의 매장량과 생산량은 충분하다. 호주정부데이터 기준, 2021년 글로벌 리튬 광산생산량은 52만톤이었다. 미국정부데이터 기준, 경제적 타당성이 검증된 전 세계 리튬 매장량은 2,200만톤으로 2021년 생산량의 40배가 넘고, 확인된 매장량은 8,900만톤으로 170배가 넘는다. 채굴기술의 발달과 광물가격 상승에 따라 경제적 매장량도 계속 증가하고 있다. 그렇다면 리튬 수급에 문제가 되는 것은 무엇일까? 바로 ‘제련 캐파’다.
캐파 (capacity, CAPA, 수용력)
고정된 인력과 기계에서 생산할 수 있는 최대의 생산량
수산화리튬 변환 공정의 까다로움
글로벌 리튬 생산 방식은 경암형, 염수형 크게 두 가지가 있다. 경암형은 리튬 광산에서 채굴하여 가공하는 방법이고, 염수형은 염호에서 증발 과정을 거쳐 생산하는 방법이다. 현재 생산 비중은 반반 정도로 비슷하지만, 실제 매장량은 염수형이 60% 이상이며 앞으로의 캐파 증설도 염수형에서 활발하게 이루어질 예정이다.
탄산리튬은 두 가지 방식 모두에서 제련 생산이 가능하다. 반면, 수산화리튬은 경암형 스포듀민 정광에서만 바로 제련이 가능하고, 염수형 방식에서는 염수에서 만든 탄산리튬을 변환시켜야 생산할 수 있다. 그런데 이 염수형 탄산리튬→수산화리튬 변환 공정이 까다롭다는 문제가 있다. Battery-grade 수산화리튬은 99%가 넘는 높은 순도여야 한다. 따라서, 변환의 feedstock으로 들어가는 물질도 주로 99%이상의 고순도 technical-grade 탄산리튬이어야 하고, 각 기업마다 feedstock으로 쓰는 염수 농축도에 따라 저마다의 설비와 공정 디테일을 운영하고 있다. 또한 변환촉매제로 쓰이는 수산화칼슘의 낮은 용해도 때문에 수율이 낮으며 리튬 손실도 많은 편이다.
스포듀민 정광 (Spodumene concentrates)
산화리튬 농축 형태
feedstock (공급원료)
즉, 염수형 방식으로 수산화리튬을 생산하는 기업은 ‘검증된’ 기술력이 중요하다. 이에 많은 글로벌 기업들이 신규 프로젝트들이 진행 중이더라도, 결과적으로 나올 수율과 품질은 확신할 수 없는 것이다. 변환공정의 까다로움과 오랜 생산기간 때문에, 염수에서 중간 물질을 ‘직접추출(DLE)’하는 방법도 국내 POSCO홀딩스를 포함한 여러 기업이 개발하는 중이다.
DLE (Direct Lithium Extraction, 리튬 직접추출)
염호(리튬을 포함한 뜨거운 지하수)에서 리튬을 직접 추출하는 공법
POSCO홀딩스
동사는 열연, 냉연, 스테인리스 등 철강재를 단일 사업장 규모로 세계 최대 규모인 포항제철소와 광양제철소에서 생산하고 있음. 철강산업은 자동차, 조선, 가전, 건설 등 철강 수요 산업에 기초 원자재를 공급하는 산업으로서, 70년대 이후 경제발전에 중추적인 역할을 수행해 온 국가 기간산업임. 매출은 철강부문 53%, 무역부문 32%, E&C부문 8%, 기타부문 5% 등으로 이루어져 있음.
출처 : 에프앤가이드
실제로, 높은 기술성숙도로 안정적 생산 중인 수산화리튬 시설은 대부분 생산하는 경암형 방식(Albemarle의 중국 플랜트, 강봉리튬, 천제리튬 등 약 18만톤)이다. 현재 운영이 확인되는 염수형 탄산리튬→수산화리튬 변환 시설은, ①Albemarle의 Kings Mountain 0.5만톤, ②SQM의 Salar de Carmen 1.35만톤, ③ Livent의 Bessemer City 2.5만톤뿐이다. ④Allkem의 Nahara 1만톤은 2022년 가동 시작 예정이다.
수산화리튬 제련 캐파 부족과 중국의 지배력
2020년 기준, 주요 5개 기업의 리튬 생산 점유율은 75% 이상으로, 선도기업들의 시장 지배력이 강하다. 표2,3,4에 2022년 기준 글로벌 탄산리튬, 수산화리튬의 제련 캐파 현황을 정리하고, 글로벌 생산을 전망해보았다. 또한 그 외 기업들의 주요 신규 프로젝트 현황도 정리해보았다.
먼저 탄산리튬의 경우, 표2를 보면 수산화리튬 변환용도를 제외하더라도 공급이 충분할 것으로 보인다.
반면, 표 3를 보면 수산화리튬의 공급 부족이 눈에 띈다. 2023~2024년까지 수산화리튬 공급망에서 중국 캐파가 압도적일 뿐만 아니라, ‘염수형 변환공정’의 낮은 회수율을 고려하면, 수산화리튬의 글로벌 캐파가 부족한 상황이다. 글로벌 신규 프로젝트들은 대부분 2025년부터 생산을 목표로 하고 있다. 일부 배터리 기업들이 신규 프로젝트를 추진 중인 기업들과 공급계약을 발표했지만, 실제 공급까지 타당성 평가/시험가동/램프업/품질검사 등 수많은 단계를 거쳐야 하기 때문에 불확실성이 크다.
타당성 평가 (타당성 조사)
어느 사업의 기술적 가능성을 기본으로 경제적, 재무적인 측면에서의 평가를 하여 그 사업의 타당성, 즉 추진여부를 결정하기 위한 조사이다. 경제적 타당성, 즉 경제성을 조사하는 일이다.
램프 업 (Ramp-up)
장비 설치 이후 대량 양산에 들어가기까지 생산 능력의 증가를 의미한다.
2025년까지, 경암형 시설이 빠른 시장 대응에 유리
2022~2025년 수산화리튬의 수급부족 환경에서, 리튬 기업들에게 우선적으로 필요한 전략은 ‘빠른 시장대응’ 일 것이다. 수산화리튬의 생산방법 중 경암형 방식과 염수형 방식의 장단점은 명확하다. 경암형 방식은 초기 투자비가 낮고 빠른 생산이 가능해 시장대응에 유리한 반면, 선광 비용 등 생산원가가 높다. 염수형 방식은 초기 투자비가 높고 염수 증발, 변환 등의 과정이 오래 걸리지만, 규모의 경제효과로 생산원가가 낮다. 따라서 안정적으로 가동 중인 경암형 수산화리튬 플랜트를 갖춘 중국 기업들의 시장지배력이 앞으로 2~3년은 지속될 것으로 보인다.
그러나 2025년부터 신규 프로젝트들의 리튬 생산이 시작되면, 글로벌 리튬의 생산지도도 다시 그려지기 시작할 것이다.
북미 기업들, 장기적으로 유리한 염수형 생산에 집중할 것
북미 기업들의 염수형 생산, 생산원가와 탄소배출량 적다
2025년 이후에는 신규 프로젝트들의 수산화리튬 생산이 조금씩 윤곽을 드러내고, 리사이클링 리튬의 공급도 등장할 것이다. 이러한 변화 속에서 장기적으로 유리한 생산방식은 ‘염수형 생산’이다. 이유는 세 가지이다. 첫째, 염수형 수산화리튬 생산방식은 압도적인 비용경쟁력을 가진다. 수산화리튬 경암형 생산방식의 OPEX는 스포듀민 정광 확보 비용과 제련비용을 합쳐 톤당 $40,000정도인 반면, 염수형 탄산리튬 변환 방식의 OPEX는 탄산리튬 생산과 변환비용을 합쳐 톤당 $5,400정도로 생산원가가 약 1/8 수준이다.
OPEX (Operating Expense, 업무지출, 운영비용)
갖춰진 설비를 운영하는 데 드는 제반 비용을 말한다. OPEX는 인건비, 재료비, 수선유지비와 같은 직접 비용과 제세공과금 등의 간접 비용으로 구성되어 있으며 통상 CAPEX와 함께 대조적으로 많이 쓰이는 용어다.
둘째, 미국의 공급망 재편 정책 + 환경적 이유다. 2022년 기준, 중국 기업들(강봉리튬, 천제리튬)은 대부분 광산에서 경암형 리튬을 생산 중인 반면, 북미기업(Albemarle, Livent, Allkem)등은 광산과 염호를 골고루 기반하고 있다. 또한 염수형 생산방식이 경암형 생산방식보다 환경적 측면에서도 유리하다.
중국 기업들의 염수형 프로젝트를 살펴보면, 현재 천제리튬이 SQM의 지분 약 26%를 보유하고 있는 정도다. SQM이 칠레에 탄산리튬 → 수산화리튬 변환시설을 운영 중이나, 중국 기업들의 자체 기술로 중국 내 변환시설은 이제 만들기 시작한 단계다. 중국 내 염호에서도 일부 직접추출 방법으로 생산 중인 기업이 있으나, 남미 지역에 비해 리튬 농도가 낮아 생산비용이 높고 대규모 개발에 한계가 있다. 남미지역에서는 강봉리튬이 이제야 염수형 프로젝트를 서둘러 시작하는 중이다. 반면, 북미의 Albemarle, Livent, Allkem 등은 염수형 시설과 탄산리튬 → 수산화리튬 변환 시설을 이미 운행 중이며, 증설 계획도 활발하다.
수산화리튬 생산 과정에서의 탄소배출량, 운송거리, 화학시약 사용량도 염수형 생산이 경암형 생산보다 적다. 북미 기업들의 신규 프로젝트 생산이 가시화되면, 미국은 친환경을 이유로 염수형 생산방식 및 북미 내에서 제련한 리튬 채택을 더욱 장려할 수 있다.
직접추출기술(DLE)의 발전 가능성
염수형 생산이 장기적으로 유리한 이유는 셋째, ‘직접추출기술’의 발전 가능성 때문이다. 직접추출기술은 기술난이도가 높지만 생산시간, 친환경성, 비용 측면의 장점 때문에 많은 기대를 받고 있다. 직접추출기술은 기존 염수형 생산의 증발 과정을 거칠 때보다 훨씬 빠른 시간 내에 수산화리튬 생산이 가능하다. 일반적인 증발과정은 1~2년이 걸리는 반면, 직접추출은 기술 별로 차이가 있지만 길면 수개월, 빠르면 2~3시간 안에 끝나기 때문이다. 또한 리튬 추출 후 일반적으로 염수를 다시 염호로 돌려보내기 때문에 기존의 염수형 공정보다 지하수 소실이 적다. 또한 증발과정을 위한 거대한 토지와 상당량의 시약이 필요하지 않기 때문에 생태계에 미치는 영향이 적고, 생산원가도 더 적다.
직접추출기술을 성공적으로 상업화한 대표적인 기업은 미국의 Livent가 있다. 증발공정 없이 흡착법으로 염화리튬을 추출한 후 바로 탄산리튬으로 제련하고, 수산화리튬으로 변환시킨다. 이 외에도 북미, 유럽지역에서 많은 프로젝트들이 활발히 진행 중이며, 염화리튬을 바로 수산화리튬으로 변환하는 기술을 개발 중이기도 하다. 중국에서도 자국의 열악한 염호에서 증발법 대신 활용하고자 추출기술을 개발하여 생산 중인 기업이 일부 있으나, 아직 공법이 미성숙하고 기존 염수형 증발 방식보다 생산원가를 낮추지 못했다.
미국 내 리튬 생산기업과 글로벌 직접추출기술 프로젝트 소개
① Livent: 미국기업. 아르헨티나 옴브레 염호에서 DLE 흡착법으로 탄산리튬까지 생산한다. 이후 미국 노스캐롤라이나 주의 Bessemer City 수산화리튬 변환시설이나 중국시설에서 배터리용 고순도 수산화리튬으로 변환시킨다. 직접추출기술을 상업화해서 20년 넘게 써온 유일한 기업이며, 자체기술에 대한 소유권을 가지고 있다. Offtake 공급계약으로 TESLA, BMW에 수산화리튬 공급 중이다.
Offtake
프로젝트의 생산물 (ex. 석유/가스)중 일부/전부을 Offtaker에게 장기로 판매하는 계약
TESLA (테슬라)
미국 캘리포니아주 팰로앨토에 기반을 둔 미국의 전기자동차와 청정 에너지 회사이다. 2003년, 마틴 에버하드(CEO)와 마크 타페닝(CFO)이 창업했다. 2004년 페이팔의 최고경영자이던 일론 머스크가 투자자로 참여했다. 회사 이름은 물리학자이자 전기공학자인 니콜라 테슬라의 이름을 따서 지었다.
BMW Group (Bayerische Motoren Werke AG, 바이에른 원동기공업)
독일 바이에른주 뮌헨에 본사를 두고 있는 자동차, 모터사이클 및 엔진 제조 회사이다. 부속 브랜드로는, 영국의 자동차 제조사 롤스로이스 자동차와 BMW 미니를 두고 있다. 영국의 SUV 제조사 랜드로버도 보유하였으나, 포드 모터 컴퍼니에 매각하였고, 현재는 재규어 랜드로버를 관리하는 타타 자동차가 소유하고 있다.
② Piedmont: 나스닥 상장, 미국 내 유일하게 광산-수산화리튬까지 통합된 프로젝트를 계획 중인 기업이다. 미국 노스캐롤라이나주에 광산 생산과 수산화리튬 제련 시설 프로젝트를 진행 중이며, 타당성 평가 단계다. 이외에도 캐나다 퀘벡, 가나에 광산 지분을 보유하고 있다. 캐나다 광산은 생산 준비단계, 가나 광산은 연 30만톤의 스포듀민 정광을 생산 중이다. 노스캐롤라이나 프로젝트는 지금까지 주정부 허가 문제로 진행이 더뎠고, 이러한 점 때문에 테슬라와 공급계약이 파기되는 문제를 겪기도 했다. 그러나 미국 DPA 법안 발의 후 정부 허가, 생산까지 박차가 가해지는지 지켜보아야 한다.
DPA (Defense Production Act, 국방물자생산법)
미국이 국가안보 등을 이유로 주요 물품의 생산을 확대할 수 있도록 대통령에게 부여한 권한을 말한다.
③ 글로벌 DLE 프로젝트: 미국의 대표적인 프로젝트로는 캘리포니아 Salton Sea 에서 Central Thermal Resources, 버크셔해서웨이의 에너지 자회사인 BHE Renewables가 진행 중인 건들이 있다. 이들은 모두 정부, 학계와 협력하여 프로젝트를 진행 중이며, 아직 초기단계다. 최근 미국 프로젝트들의 공통점은 ‘지열 발전 플랜트’와 함께 추진한다는 점이다. 지열발전의 부산물로 염수가 나오는데, 이 염수에서 직접추출법으로 수산화리튬으로 제련할 수 있는 중간물인 염화리튬을 생산한다. 그 후 지열으로 가동되는 수산화리튬 공장에서 수산화리튬으로 변환시킨다. 유럽의 Vulcan Energy도 지열플랜트, 직접추출기술 활용으로 수산화리튬 프로젝트를 진행 중이고, LG에너지솔루션과 공급계약을 맺었다. 다만, 아직 DLE 기술은 성숙도가 낮다는 점을 주의해야 한다. 다수 투자기관과 외신들이 Standard Lithium 이나 Vulcan Energy의 DLE 기술에 대해 비판적인 시각을 내비쳐, 과거 주가에 영향을 준 바가 있다.
버크셔 해서웨이 (Berkshire Hathaway)
워렌 버핏의 투자목적 지주회사이다. 레버리지용 플로트 목적의 보험사업을 중심 사업으로, 애플(Apple) 5.75%, 에너지 사업, 아이스크림과 캔디부터 가구, 정밀공구기계, 철도사업, 항공 조종사 훈련, 화학 사업을 포함한 상상할 수 있는 모든 사업을 하고 있는 종합 지주회사이다.
LG에너지솔루션
동사는 EV, ESS, IT기기, LEV 등에 적용되는 전지 관련 제품의 연구, 개발, 제조, 판매하는 사업을 영위하고 있음. EV용 배터리의 경우 경쟁사 대비 앞선 개발과 공급 및 높은 에너지 밀도 등의 제품 경쟁력을 기반으로 Global 자동차OEM 대부분을 고객으로 확보하였음. 배터리 Recycle/Reuse 사업과, 배터리 및 차량 관련 데이터를 활용하여 부가가치를 창출해내는 BaaS 사업 등을 추진할 계획임.
출처 : 에프앤가이드
우리나라 기업의 노력은?
POSCO홀딩스의 리튬 사업 타임라인
우리나라의 POSCO홀딩스는 두 개의 리튬 프로젝트를 진행 중이다.
① 경암형 방식: 광양의 수산화리튬 공장. POSCO필바라리튬솔루션 합작파트너사인 Pilbara Minerals로부터 스포듀민 정광을 연간 31.5만톤씩 공급받아 수산화리튬 생산. 4.3만톤 캐파, 2023년 10월 가동시작 목표
② 염수형 방식: 아르헨티나 Hombre Mueto 염호에서 POSCO가 자체 개발한 직접추출 공정으로 운영 계획 중. Phase1 2.5만톤, 2024년 가동 시작 목표
POSCO홀딩스는 광양 경암형 수산화리튬 공장의 가동을 2023년 하반기, 즉 다른 글로벌 신규 프로젝트들 보다 먼저 계획하고 있다는 점에서, 빠른 생산 안정화 도달을 통한 시장 선점 효과를 기대해 볼 수 있다. 뿐만 아니라 2022년 3월 착공한 아르헨티나 Hombre 염호 프로젝트는 1단계 2.5만톤(2024년 가동 목표), 2025년 총 5만톤, 2028년 총 11톤 규모로 단계 별 증설을 계획하고 있다. 1Q22 실적 컨퍼런스 콜에서 일반적인 생산 공정 뿐만 아니라, 자체 개발한 증발 시간 촉진 기술, 직접추출기술 등을 골고루 사용할 것이라고 밝힌 바 있다. 염수형 플랜트의 가동 이후 POSCO홀딩스 기술 경쟁력의 윤곽을 확인할 수 있을 것이다.
1Q22 (Q = Quarter, 분기)
2022년 1분기
컨퍼런스콜 (conference call)
상장사가 기관투자가와 증권사 애널리스트 등을 대상으로 자사의 실적과 향후 전망을 설명하기 위해 여는 전화회의를 의미한다. 흔히 기업설명회를 IR(Investor Relation)이라고 하는데 전화로 하는 IR이 컨퍼런스콜이다.
이 자리에서 회사 경영진들은 애널리스트로부터 다양한 의견과 충고를 들어 경영에 반영한다.
에코프로의 수산화리튬 가공
에코프로의 자회사 에코프로이노베이션은 수산화리튬 분쇄가공 사업을 하고 있다. EV배터리에 사용되기 위해 수산화리튬은 매우 미세한 입자크기로 분쇄가공을 거쳐야 한다. 최근 연간 1,300톤 양산체제에서 1.3만톤까지 램프 업 진행 중이다.
에코프로
동사는 1998년 10월 설립, 2001년 2월 주식회사 에코프로로 사명을 변경했으며 2007년 7월 코스닥 시장에 상장했음. 1998년부터 유해/온실가스 저감장치, 대기환경 플랜트 등 환경사업을, 2003년부터 이차전지 전구체, 양극소재 등 전지재료 사업을 영위해왔음. 2016년 5월 양극소재 부문을 물적분할(에코프로비엠 설립)하고, 2021년 5월 대기환경 부문을 인적분할(에코프로에이치엔 설립)함으로써 지주회사로 전환했음.
출처 : 에프앤가이드
에코프로이노베이션 (Ecopro innovation)
2005년 7월 설립된 이차전지 양극재용 수산화리튬 제조 기업이다.
지금은 수산화리튬 분쇄가공 사업만 영위하고 있지만, 에코프로는 탄산리튬의 수산화리튬 변환 특허도 보유하고 있어 미래 사업이 기대된다. 특허 내용은 에코프로는 변환 공정에서 부산물로 나오는 탄산칼슘을 재활용하여 친환경적이고, 부산물 처리비용과 원료비용을 절감하는 변환방법이다. 에코프로는 미국 Allkem의 합작사인 Toyota Tsuho로부터 2022년~2027년 연간 7,000톤의 탄산리튬 공급 계약을 맺었고, 미국 Ioneer사와도 생산시점 이후부터 탄산리튬을 공급받기로 거래계약을 체결했다.
Part II. 니켈 메탈 슬러그
중국 기업들의 니켈 프로젝트, 경쟁력 있을까
배터리용 Class1 니켈 생산 방법
배터리 양극재 전구체 원재료로 쓰이는 황산니켈은 Class1 고순도 니켈로만 생산할 수 있다. 니켈 광산의 종류는 러시아, 호주, 캐나다 같은 대륙에 분포한 황화광과 인도네시아, 필리핀 같은 해안지역에 분포한 산화광 두가지다. Class1 니켈은 일반적으로 황화광의 건식제련을 통해 생산된다. 기존에 산화광으로는 NPI(니켈선철)과 페로니켈 같은 저순도 제품의 생산만이 가능했다.
양극재
리튬의 공급원으로써, 전지가 충전/방전 시 양극재의 결정격자로부터 리튬을 방출/흡수하여, 전지 내에 전기에너지를 저장/방출 가능하게 해 주는 주원료이다. 어떤 양극활 물질을 사용하느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된다. 니켈을 많이 포함하면 용량이 증가, 음극과 양극의 전위차가 크면 전압이 증가한다.
전구체 (前驅體, precursor)
화학에서 다른 화합물을 생성하는 화학 반응에 참여하는 화합물이다. 양극재에서는 니켈, 코발트, 망간 등이 사용된다.
니켈선철 (NPI, Nickel Pig Ion)
페로니켈 (니켈철)
2021년 기준, 글로벌 니켈 생산량의 약 25%만이 황화광에서 이루어지고 있고, 이 마저도 고갈이 진행되며 품위가 지속적으로 떨어지고 있다. 또한 새로운 글로벌 니켈 프로젝트는 대부분 인도네시아 산화광 지역에 몰려있다. 이에 따라 배터리 향 수요가 빠르게 증가하는 Class1니켈을 산화광으로도 생산하기 위해 다양한 제련방법들이 등장하고 있다.
Class1니켈
Class1 니켈은 순도 99% 이상의 것을 의미하며, 가공 형태에 따라 Ingot, Pellet, Briquette로 나뉜다. 스테인리스강(STS), 배터리, 합금 등 다양한 용도로 사용한다. 황화광(Sulfide Ore)을 제련하여 얻는 것이 일반적이다. Class2 니켈은 순도 99% 미만으로 순도 1~17% 니켈선철, 15~45%의 페로니켈 등이 있다. 용도가 다양한 Class1과는 다르게 스테인리스강 생산에 대부분 쓰이며 주로 산화광(Laterite Ore)을 제련하여 얻는다.
첫째, HPAL(고압침출법)으로, 습식제련의 한 종류이다. 니켈과 코발트가 함유된 산화광석을 고온〮고압 환경에서 황산을 이용해 황산니켈, 황산코발트로 가공하기 전의 중간재인 MHP(수산화침전물), MSP(황산화침전물)을 침출 한다. 둘째, 중국 청산강철이 개발한 NPI to Nickel Matte(NPI를 순도 약 75%의 Nickel Matte로 변환) 신기술이다. 이들은 자세한 기술 내용은 밝히지 않았으나, 이 기술발표로 2021년 3월 LME 니켈가격이 급락한 적도 있다.
HPAL (High Pressure Acid Leaching, 고압산 침출)
MHP (Mixed Hydroxide Precipitate, 니켈 수산화 침전물)
MSP (Mixed Sulfide Precipitate, 니켈 황산화 침전물)
LME (The London Metal Exchange, 런던금속거래소)
1876년에 설립된 LME는 세계 최대 비철금속 선물시장으로 국제 비철금속 가격의 기준을 제시하는 중요한 역할을 담당하고 있는 거래소이다. LME는 다른 여러 국가의 거래소와 구별되는 독특한 거래방법을 가지고 있으며 국내기업들이 비철금속 헷지(Hedge)를 위해 가장 많이 이용하고 있는 선물시장이다.
중국 기업들의 인도네시아 산화광 프로젝트
인도네시아에서 산화광 프로젝트가 몰릴 수 있었던 이유는 무엇일까? 인도네시아는 경제발전 전략으로 니켈 등 원자재의 Downstream 산업까지 육성하고자 2014년, 2020년 니켈원광 수출금지를 시작으로 석탄, 보크사이트, 구리, 팜오일 등의 수출금지를 추진하였다(Mineral and Coal Mining Law). 이에 따라 인도네시아에서는 니켈-스테인리스 철강산업의 수직계열화를 성공적으로 이루어냈다. 이와 비슷하게 EV 배터리용 니켈에 대해서도 산업 밸류체인 육성을 추진하고 있다. 이로 인해 많은 중국 자본이 인도네시아로 흘러가 HPAL프로젝트를 추진하고(Tsingshan 청산강철, Huayou Cobalt, GEM, CATL 등), 양극재 밸류체인까지 구축하려 하고 있다. 청산강철의 NPI to Nickel Matte 프로젝트 역시, 인도네시아 Sulawesi섬의 Morowali Industrial Park에서 진행 중 이다.
Downstream
- Upstream (업스트림, 생산)
- Midstream (미드스트림, 저장·운송)
- Downstream (다운스트림, 공급)
수직계열화 (Vertical Integration, 수직적 통합)
미시경제학과 경영 분야에서 한 회사의 공급 사슬이 회사 소유가 되는 것을 말한다. 일반적으로 공급 사슬의 각 구성체는 각기 다른 제품이나 (시장에 특화된) 용역을 생산하며 제품은 공통의 요구를 충족하기 위해 병합된다. 이 용어는 수평적 통합과는 반대되는 표현이다.
CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Limited)
2011년 설립된 중국의 배터리 제조업체. 푸젠성 닝더에 본사를 두고 있다. 중국 내에서 BYD와 경쟁관계이고 대외적으로 파나소닉, LG화학, 삼성SDI와도 경쟁한다. 베이징자동차와 상하이자동차, 창안자동차 등 중국내 업체는 물론 BMW, 폭스바겐, 닛산 등에도 배터리를 공급하고 있다. 테슬라의 중국공장인 기가상하이에서 생산되는 테슬라 모델 3의 배터리를 공급하며, 이후 생산될 테슬라 모델 Y의 배터리도 공급할 것으로 알려져 있다.
밸류체인 (value chain, 가치 사슬)
기업에서 경쟁전략을 세우기 위해, 자신의 경쟁적 지위를 파악하고 이를 향상할 수 있는 지점을 찾기 위해 사용하는 모형이다. 가치 사슬의 각 단계에서 가치를 높이는 활동을 어떻게 수행할 것인지 비즈니스 과정이 어떻게 개선될 수 있는지를 조사하여야 한다.
HPAL과 NPI to Matte의 한계
사실 HPAL과 NPI to Matte 제련법은 비용적, 환경적 불확실성이 많은 기술이다.
HPAL법은 고온〮고압 시설을 만들기 위해 기존 황화광 시설보다 초기에 많은 CAPEX가 필요하다. 또한 광물에서 니켈을 침출하기 위해 황산을 이용하기 때문에 황산 시설 역시 추가로 필요하다. 한번 세팅 되면 시장 상황에 따른 유동적인 운영이 어렵고, 이러한 이유들로 기존 프로젝트들의 Delay가 많았다. HPAL 법은 저순도 산화광물을 고온, 고압, 고Acid 환경에서 처리하기 때문에 안정적인 설비가동과 균일 품질로의 Full Capa 생산도 어렵다. 이러한 점에서 운영 기업들의 노하우가 중요하다.
Capex (Capital expenditures)
미래의 이윤을 창출하기 위해 지출된 비용을 말한다. 이는 기업이 고정자산을 구매하거나, 유효수명이 당회계년도를 초과하는 기존의 고정자산에 대한 투자에 돈이 사용될 때 발생한다.
HPAL 제련 후 부산물들을 바다에 처리하는 문제도 지속적으로 이슈가 되고 있다.
중국 기업 외에도 이전부터 HPAL프로젝트를 운영해왔거나 진행 중인 다른 기업들도 여럿 존재한다. 대표적으로, 일본의 Sumitomo Metal Mining(TYO: 5713)은 필리핀에서 Coral Bay HPAL시설을 2005년부터 운영해왔다. 또한 필리핀 Nickel Asia가 2005년부터 운영 중인 Tagnito HPAL 프로젝트의 지분을 보유하고 있다. 그런데 지난 4월 25일, Sumitomo Metal Mining은 필리핀에서 추가로 추진 중이던 Pomalaa Project의 타당성 평가 중단을 발표했다. 자세한 이유는 밝혀지지 않았으나, 위와 같은 이유와 관련 있을 것이다.
청산강철의 NPI to Nickel Matte 변환 기술은 NPI(니켈선철)을 약 75% 순도의 Nickel Matte로 변환하는 기술이다. 청산강철은 이렇게 생산한 Nickel Matte를 중국의 CNGR(SHE: 300919), Huayou Cobalt(SHA: 603799)에 공급하고 있다. 청산강철과 합작 중인 호주의 Nickel Mines(ASX:NIC)와 CNGR도 이 기술을 도입할 계획이다.
이 기술은 변환 비용 때문에 마진이 높을 수 없다고 생각한다. NPI와 Nickel Matte는 일반적으로 LME 니켈 현금가의 85% 수준으로 할인되어 거래된다. 즉, 비슷한 가격의 다른 제품을 추가 비용을 들여 생산하는 기술인 것이다. S&P는 NPI를 Nickel Matte로 변환할 때 톤당 $2,500의 추가 비용이 든다고 추정한 바 있다. Nickel Matte를 전구체 원료인 황산니켈로 추가 가공한다면 추가적인 마진이 가능한데, 이도 2022년 40,000위안을 훌쩍 넘는 사상 최고 수준의 가격 프리미엄일 때의 이야기다. 2022년 4월, Nickel Mines는 지난 4월 Nickel Matte 변환 시설 추가 투자를 미뤘다고 발표했는데, NPI의 마진도 계속 높아지고 있고, 니켈가격 안정화 움직임을 더 지켜보고 있기 때문이라고 밝혔다. 비용 문제뿐만 아니라, 이 기술은 탄소배출양도 많다.
S&P (Standard & Poor's, 스탠더드 앤드 푸어스)
주식과 채권에 대한 금융 연구 및 분석 자료를 출판하는 맥그로-힐의 사업부문이다. 1860년 창업하였고 미국 뉴욕에 본사를 두고 있다. 금융시장 정보(신용등급, 지표, 투자연구 및 위험평가)를 전 세계 투자자들에게 제공한다. 미국 기반의 S&P 500이나 호주의 S&P/ASX 200 주식시장지수, 캐나다의 S&P/TSX, 이탈리아의 S&P/MIB 등으로 잘 알려져 있다. 무디스, 피치 레이팅스와 함께 세계 3대 신용평가 기관으로 불리고 있으며, 이 신용평가 기관들과 A.M. 베스트 및 도미니언 본드 레이팅서비스는 미국 국가공인통계평가기관(NRSRO)로 지정되어 있다.
수직계열화로써 의미 있는 산화광 프로젝트
비용적, 환경적 단점에도 불구하고, 중국 기업들이 HPAL과 NPI to Nickel Matte프로젝트를 추진할 수 있는 이유는 배터리 소재 확보를 위한 ‘수직계열화 전략’ 때문이다. 배터리 소재를 조금 비싸게 확보하더라도 부가가치가 높은 Midstream, Downstream 제품 생산에 활용할 수 있는 것이다. 실제로, 청산강철은 미래 전략으로 양극재 전구체 사업을 계획하고 있으며, 일본의 Sumitomo Metal Mining는 이미 이전부터 ‘니켈광산-황산니켈-전구체-양극재-리사이클링’의 수직계열화 비즈니스 모델을 가지고 있다. CNGR 도 원래 삼원계 전구체 사업을 하는 기업으로 이제 니켈 생산에 직접 나서는 모습이다.
삼원계 배터리
기본적으로 니켈과 코발트를 합성하여 만드는 LCO에 추가로 다른 원소를 합성하여 만든 것으로 세가지 원소가 들어가서 삼원계라고 한다. 대한민국 업체가 생산하는 NCM(니켈·코발트·망간) 계열 및 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등이 삼원계 배터리이다.
산화광 프로젝트들의 경쟁력은 황화광 니켈의 부재 + 배터리 수직계열화 전략의 배경에서 유효하다. 즉, 산화광 프로젝트에 뛰어든 기업들은 단순 니켈 생산에서 끝나는 것이 아니라 최소한 황산니켈까지의 가공 밸류체인까지 구축해야 하며, 수직계열화 속도가 기업의 수익성과 직결될 것이다.
미국에선 황화광 개발 중, 배터리 소재 Downstream은 아직!
미국에 황화광이 있다
21세기에 새로 발견된 황화광은 10개 남짓인데, 인프라가 어느 정도 갖춰진 황화광산으로는 두 개가 미국에 있다. 이 프로젝트들을 운영하는 기업들은 “Green Nickel, Responsible Mining” 같은 문구로 환경적 측면을 강조한다는 공통점이 있다. 현재 가동 중인 황화광들의 품위가 니켈 함량 0.5%까지 떨어진 것에 비하면 두 광산의 품위는 1% 중반대로 상당히 높다. 애초에 황화광은 산화광보다 더 적은 비용과 탄소배출로 Class1니켈 생산이 가능하며, 고품위 일수록 제련과정에서 탄소배출과 부산물이 적다.
인프라 (Infra, Infrastructure, 기반 시설, 기간 시설)
경제 활동의 기반을 형성하는 기초적인 시설과 시스템(fundamental facilities and systems)을 말하며, 도로나 하천, 항만, 공항 등과 같이 경제 활동에 밀접한 사회 자본을 말한다. 최근에는 학교나 병원, 공원과 같은 사회 복지, 생활환경 시설 등도 포함시킨다. 이 "인프라"는 범위를 확장하여, "결제 인프라", "배송 인프라"처럼, "기반"을 뜻하는 용어로 쓰이기도 한다.
첫번째는 미국 미시간에 있는 Eagle Mine 이다. 캐나다 기업 Lunding Mining(TSE: LUN)이 100% 소유권을 가지고 있고 이미 생산 중이다. 2022년 1.5만~1.8만톤의 니켈을 생산할 전망이다. 확인된 자원은 평균 2.6%의 품위를 자랑한다.
두번째는 미국 미네소타에 있는 Tamarak Mine 이다. Talon Metals(TSE:TLO)와 Rio Tinto가 합작 운영 중이다. 타당성 평가를 끝내고 광산 개발이 아직 진행 중이며 니켈 정광 생산은 아직이다. 확인된 자원은 평균 1.9%의 품위를 자랑한다. Talon Metals는 탄소포집과 부산물 처리 시설에 대한 개발도 함께 진행 중이다. Tesla와 생산시점 이후 6년 간의 offtake 계약을 맺었다.
리튬과 마찬가지로 북미지역 내 니켈프로젝트 진행수준이 어느 정도 올라오면, 미국은 앞으로 ‘친환경’을 내세우며 산화광 프로젝트에서 나온 니켈을 차차 배제할 가능성이 있다. 이를 고려하면, Sumitomo Metal Mining이 HPAL프로젝트를 포기하고 다른 니켈 자원을 모색해 보겠다고 발표한 것에 상당한 의미가 담겨있다고 생각한다.
미국 니켈 프로젝트들은, 배터리 소재 관련 Downstream 사업과의 연계가 아직 전무한 상태다. 국내 기업들의 니켈 확보 프로젝트는 에코프로의 Blackstone Minerals 지분 투자 외에 인도네시아 산화광 지역에 몰려있는 상황이다. 당장의 황화광 프로젝트의 부재때문에 당연한 선택이었겠으나, 장기적으로는 미국의 황화광 지역도 국내 배터리 소재 기업들의 공급망 선택지가 될 수 있다.
우리나라 기업의 노력은?
POSCO홀딩스의 산화광 프로젝트
2021년 5월, POSCO홀딩스는 호주 니켈 제련기업 Raventhorpe Nickel Operation의 지분 30%를 FQM으로부터 인수했다. 산화광 HPAL프로젝트이다. POSCO는 여기서 생산된 니켈 함량 기준 7,500톤의 MHP를 2024년부터 공급받기로 장기계약을 맺었다.
FQM (First Quantum Minerals, 퍼스트 퀀텀)
캐나다 광산·금속 회사
2021년 7월, POSCO홀딩스는 뉴칼레도니아 산화광으로부터 니켈 광석을 수입해와 페로니켈을 생산하는 자회사 SNNC에 고순도 니켈 정제설비를 도입하기로 했다. 기존 설비에 탈철 공정을 도입해 순도 약 75%의 니켈매트를 생산하고, 이를 다시 정제해 고순도니켈을 생산하는 것이다. 청산강철의 NPI to Matte기술과 비슷하게 Class1 니켈을 생산하기 위해 산화광 니켈을 니켈매트로 변환하는 공정으로 보인다.
SNNC
2006년 포스코와 뉴칼레도니아의 최대 니켈 광석 수출회사인 SMSP사가 합작 설립한 회사로, 스테인리스강의 주원료인 페로니켈 (니켈 20%, 철 80%)과 기타 부산물을 생산, 판매하는 대한민국 최초의 페로니켈 제조 전문기업이다.
2022년 4월 발표한 LG컨소시엄 그랜드 패키지 프로젝트 역시 인도네시아 산화광 프로젝트이다. LG에너지솔루션, LG화학, POSCO홀딩스, LX인터내셔널, 중국의 Huayou Cobalt 그리고 인도네시아 기업들이 참여한다. 광물 채굴부터 수직계열화된 배터리 밸류체인을 구축할 계획이다.
LG화학
동사는 석유화학 사업부문, 전지 사업부문, 첨단소재 사업부문, 생명과학 사업부문, 공통 및 기타부문의 사업을 영위하고 있음. 연결회사는 2020년 12월 1일 전지 사업부문을 단순·물적분할하여 (주)LG에너지솔루션 및 그 종속기업을 설립함. 동사는 양극재, 엔지니어링 소재, IT소재의 경쟁력을 바탕으로 고부가 제품을 중심으로 한 포트폴리오 전환을 추진 중에 있 출처 : 에프앤가이드
LX인터내셔널
1953년 11월 설립되었으며, 동사의 사업부문은 크게 에너지/팜(석탄, 석유, 팜 등), 생활자원/솔루션 부문(화학, 헬스케어, 전자부품 등), 물류 부문(해상운송, 항공운송 등)으로 구분됨. 산업재/솔루션 부문에서 중동, CIS 및 동남아 시장을 중심으로 사업을 확대하여 프로젝트에 대한 경쟁력을 강화하고 있음. 에너지/팜 부문은 중국 내몽고에 위치한 석탄화공플랜트의 지분을 인수하여 비료 사업 및 Trading에 참여 중임. 출처 : 에프앤가이드
산화광 프로젝트의 경제성을 확보하려면, 배터리산업 밸류체인 구축에 속도를 내야 한다.
에코프로의 황화광 투자
에코프로는 베트남 Ta Khoa프로젝트를 진행 중인 호주 기업 Blackstone Minerals(ASX: BSX)의 지분 약 8.5%를 보유하고 있다. 이 프로젝트는 황화광 지역에서 양극재 수직계열화를 계획 중인 유일한 프로젝트다. Blackstone Minerals는 Downstream 사업으로 NCM 전구체 생산을 계획하며 에코프로와 논의 중이다. Upstream 사업으로는 Ban Phuc 광산의 재가동 위한 타당성 평가에 들어갔고, Downstream 사업으로는 전구체 파일럿 플랜트 가동과 베트남 지역정부의 허가까지 받은 단계이다. 이는 2025년 양산 목표이다.
NCM (니켈·코발트·망간 배터리)
니켈은 에너지 밀도, 코발트와 망간은 안전성에 관여한다. 니켈 코발트 망간이 일정한 비율로 존재해 현재 가장 많이 이용되고 있다.
이외에 인도네시아 산화광 HPAL프로젝트 중 하나인 PT QMB New Energy Material 프로젝트 지분을 GEM로부터 9%를 인수했다.
Part III. 또 하나의 광산, LiBs 리사이클링
폐배터리 리사이클링, 왜 중요한가
미국, 폐배터리 리사이클링 놓쳐선 안된다
폐배터리 리사이클링은 리튬이온 배터리에 들어가는 주요 자원 투자를 이제 시도하는 국가에 중요한 기술이다. 주요 자원에 대한 광산 투자는 중국과 같이 2008년~2009년, EV 배터리 시장이 개화하기 전에 진행했다면, 훨씬 수월했을 것이다. 그러나 EV 글로벌 침투율 10% 이상인 시대에 리튬, 니켈 등 주요 금속 광산에 대한 투자는 고밸류가 적용되어 쉽지 않은 상황이다. 또한 고성장 시장인 EV 배터리의 주요 금속인 만큼, 광산 보유 국가들의 자원 국유화 움직임이 활발한 상황이다. 대표적으로 볼리비아, 아르헨티나, 칠레가 있다. 이들은 리튬 매장량 중심으로 보면, 볼리비아 23%, 아르헨티나 21%, 칠레가 11%로 글로벌 최대 원산지다. 다만, 그동안은 자본 및 기술 부족으로 해외 기업들이 개발하도록 하고, 세금만 징수해왔다. 이에 이들 국가 중심으로 자원을 국유화하거나, 정부가 직접 개발에 개입하는 등 자국 경제 활성화를 위한 움직임이 계속되고 있다.
이에 안정적 원재료 공급을 위해서는 폐배터리 리사이클링이 필수다. 미국은 과거부터 중국과의 신에너지 중심 자원 패권 전쟁을 지속하고 있다. 그러나 중국이 신에너지 주요 자원 투자에 힘을 쏟을 때, 미국은 화석에너지 우위를 점하려다 밀리고 있는 실정이다. 이에 미국은 배터리 주요 자원에 대한 패권을 장악하고자, 신규 광산 개발 및 기존 광산 생산 증가 등 많은 노력을 하고 있다. 다만, 뒤늦게 투자를 확대하는 만큼, 폐배터리 리사이클링 기술을 통한 자원 회수에도 많은 노력을 기울이고 있다.
뒤늦은 투자에 대한 대안 말고도, 이론적으로 폐배터리 리사이클링은 확실히 채굴, 정제를 통한 금속 공급보다 비용 측면에서 유리하다. Li을 예로 들면, 1톤의 Pure Li을 얻기 위해서는 250톤의 광석이나 750톤의 염수가 필요하다. 그리고 스포듀민 정제보다 염수형이 정제 에너지는 현저하게 낮지만, 이 역시도 18~24개월 정도의 시간이 걸린다. 또한, 염수형에서 정제를 통해 회수한 Li은 광석 대비 다소 양이 적다. 그러나 리사이클링을 할 경우, 금속 회수 기간도 짧을 뿐만 아니라, 폐배터리 약 50만톤 기준, Al 1.5만톤, P 3.5만톤, Cu 4.5만톤, Co 6만톤 Li 7.5만톤, Fe 9만톤을 회수할 수 있다. 이에 현재, 리사이클링 비용으로 문제 시 되고 있는, 높은 에너지 비용 문제 해결을 위한 다양한 기술이 개발된다면, 배터리 원재료의 안정적 공급에는 최적화된 방법이라는 판단이다.
Al 알루미늄 / P 인 / Cu 구리 / Co 코발트 / Li 리튬 / Fe 철
글로벌 LiBs 리사이클링 시설 확대 중
2021년 기준, LiBs 리사이클링 글로벌 생산능력은 322,500톤 수준이다. 이 중, 중국 포함 동아시아에 약64%인 207,500톤 생산 시설이 있다. 그리고 중국에만 188,000톤 생산능력이 갖추어져 있다. 나머지는 일본과 한국에 있다. 유럽은 총 92,000톤 규모로 글로벌리 두번째로 큰 시설을 보유하고 있다. 공장은 영국, 프랑스, 독일 등에 골고루 분포되어 있다. 북미에는 캐나다와 미국에 총 20,500톤의 생산 시설이 있다. 현재, 증설 계획이 잡혀있는 공장은 약7만톤 수준으로, 이 중, 중국 및 동아시아권에서 1.2만톤, 유럽이 1.8만톤, 미국이 4만톤 증설이 예정되어 있다. 미국에서 폐배터리 리사이클링 인프라 정책이 등장한 만큼, 증설 속도는 미국 중심으로 가파를 것으로 예상된다.
LiB (Lithum-ion Battery, 리튬이온전지)
LiBs 리사이클링, 습식 공정 기술이 핵심
폐배터리 리사이클링 핵심: 높은 순도 및 회수율
폐배터리 리사이클링의 핵심은 최대한 많은 금속을 높은 순도(중대형 배터리 등급 기준)로 추출해내는 것이다.
우선, 금속 별 순도의 기준은 각 국에서 정책에 의해 시행되고 있는 품질 기준에 따른다. 예를 들어, 국내의 경우, 산업통상자원부의 국가기술표준원 규격에 따라, 황산니켈 품질 기준은, 순도 99.0~102.0%, 불순물 관리 원소인 염소(Cl), 질소(N), 나트륨(Na) 등 성분에 대해서도 불순물 한계치를 각각 설정하고 있다. 다만, 재활용 금속에 대해서는 순도에 대한 규격이 아직 없다. 이는 다른 나라도 마찬가지다. 이에 리사이클링 배터리 금속 순도는 99.9% 이상을 기준으로 기술 평가하고 있다.
NCM811 배터리 기준, 폐배터리 리사이클링을 통해, 회수 가능한 금속에 대해 알아보자. 배터리 팩 원재료의 약 39%는 철 합금이다. 그리고 나머지는 알루미늄 합금, 플라스틱 포함 가벼운 복합재료들로 구성되어 있다. 셀은 Al, Cu 금속 호일로 구성된 양극과 음극이 모듈 무게의 약 39% 정도를 차지하며, 나머지 Ni, Co, Li, Mn 등으로 구성되어 있다. 비용 기준으로 보면, 셀 비용에서 원재료가 차지하는 비중은 약 71%이며, 원재료 중에서도 양극활물질이 66%, 양극활 물질 원재료 비중 66% 중, 금속이 44%, 가공 비용이 56%를 차지한다. 즉, 셀 전체 비용 중, 양극활물질 주요 금속 및 가공이 차지하는 비중은 약 24% 수준이다. 국내와 같이, 광산부터 가공까지의 생태계가 없는 경우, 주요 금속에 대한 안정적 공급 수단 확보가 필수다. 이를 폐배터리 리사이클링이 일정부분 해결해줄 수 있다.
NCM811
니켈 80%⋅코발트10%⋅망간10% 비율로 구성된 양극재를 뜻한다.
팩, 셀
배터리는 ‘셀(Cell)’과 ‘모듈(Module)’, ‘팩(Pack)’으로 구성돼있다. 배터리 셀은 각각이 에너지를 저장했다 내보내는 역할을 한다. 이 자체만으로는 용량이 적기 때문에 이를 한데 묶은 모듈을 만들고, 이를 다시 크게 합쳐 팩을 만든다.
회수율+경제성 고려 시, 건식+습식 공정이 유리
폐배터리 리사이클링 제조공정
폐배터리 리사이클링 제조공정은 크게 건식과 습식 공정으로 구분된다. 기존 광석 제련과 거의 동일하다고 보면 된다. 건식공정은 금속의 직접 획득 및 높은 생산성이 장점이라면, 습식공정은 선택성이 높아, 효율이 높다는 장점이 있다. 따라서 경제성 측면에서는 건식이 유리하나, 건식을 통해 회수되지 못하는 금속의 경우에는 습식 공정을 활용해야 한다. 이에 두 공정을 동시에 적용하는 방향으로 진행되고 있다.
전처리 공정
폐배터리 리사이클링 공정은 건식과 습식으로 구분되는 후처리 공정에 들어가기 전, 전처리 공정을 거친다. 전처리 공정은 습식 공정 때문에 진행하는 것으로, 최근에는 건식과 습식을 동시에 적용하는 추세이기 때문에 전처리 공정이 필수적으로 들어간다.
전처리 공정은 우선, 폐배터리를 재사용 가능한 것과 아닌 등급으로 구분한다. 아직 정확한 분류에 대한 등급 기준은 마련되어 있지 않으나, 초기 용량 대비 70~80% 수준 감소한 배터리는 재사용 등급으로 분류한다. 그중에서도 상태가 A 급인 배터리가 재사용된다고 보면 된다. 그 이하 등급의 배터리는 리사이클링으로 분류되어 분해 공정에 들어간다. 분해 공정은 하우징, 케이블 등 전자부품 내 Fe, Cu, Al, Plastic 등의 재료를 회수하는 것이다. 재료 회수 후, 배터리를 방전 시킨다. 기존 방전 방식은 소형 배터리 기준으로 대부분 배터리를 NaCl 등 염수에 직접 담그는 방식을 사용한다. 이 방식 그대로 대용량 방전을 위해서는 염수에 담긴 방전판으로 전극을 연결하여 한꺼번에 방전시킨다. 다만, 중대형 배터리의 경우, 염수 방식은 한계가 있다. 이에 철니크롬선 등 저항기를 사용하는 방식으로 진행하고 있다. LFP의 경우, 양극활물질 반응성이 낮아 미리 방전할 필요가 없으나, 삼원계는 반응성이 높아 미리 방전을 꼭 해야 한다. 전극은 방전 후, 바로 분쇄로 들어가면 회수가 어려워진다. 이에 전극 금속 형태로 회수하기 위해서는 진공 상태 500~600°C에서 열분해를 해야 한다. 또한 열분해 되는 동안, 전극뿐 아니라 플라스틱과 전해액 내 유기 용매가 분해되면서 전해질에서 불소 벤젠 등이 형성, 응축을 통해 수집이 가능해진다. 열분해를 거친 후, 분쇄 공정을 거친다. 말 그대로 파쇄하는 것이지만, 극저온 파쇄 또는 전기유압 파쇄를 할 경우, 재활용 효율을 높일 수 있다. 다만, 투자비 및 운영비가 증가하며, 고가의 장비가 필요하다. 또한 이산화탄소, 질소와 같은 불활성 가스로 채워진 진공 상태에서 파쇄하면, 전해질 및 플라스틱과 같은 유기 휘발성 물질 제거가 가능해진다. 이에 배터리에 불이 붙거나, 산소가 치환되어 폭발하는 것을 방지할 수 있다. 분쇄 후, '블랙 파우더'라 불리는 미분으로부터 음극 및 양극활물질에서 재생된 철, 구리, 알루미늄 합금을 분리한다.
NaCl (염화 나트륨)
블랙 파우더 (Black Powder)
리튬이온배터리 스크랩을 파쇄 및 선별 채취한 검은색 분말이다. 블랙 파우더에서 니켈, 리튬, 코발트 등을 추출한다.
건식 공정
건식공정은 일종의 로스팅 과정이라고 보면 된다. 로스팅은 산소가 풍부한 대기 상태에서 열분해가 일어나므로, 잘 산화되지 않는 Ni, Co는 쉽게 회수되는 반면, 산화반응이 뛰어난 Li, Al은 슬래그 형태가 된다. 이에 주로 Ni, Co, Cu만 회수가 가능하다.
슬래그 (slag)
광물을 제련(製鍊)할 때, 광석에서 금속을 빼내고 남은 찌꺼기.
건식공정도 기업마다, 제조공정이 다르지만, 가장 대표적인 공정으로 살펴보자. 우선, 크게 3개 온도 구역의 용광로에 블랙 파우더를 공급한다. 첫 번째 구역은 예열 단계로 300°C 미만 온도에서 천천히 증발하여 공정 안전성 높이고, 폭발 위험 줄인다. 두번째 구역에서는 최대 700°C 온도에서 공정 에너지 효율을 높이는 공정으로 여기에서 흑연이 회수된다. 세번째 구역은 전기 아크로로 Ni, Co, Cu 는 환원되어 금속 합금으로 회수되나, Al, Li은 산화되어 슬래그된다. 이외에도 녹는점에 따라 Fe 등 금속 Alloy가 액체 상태로 나온다. 건식 공정의 장점은 전처리가 필요하지 않고, 배터리 팩 플라스틱의 탄소 함량으로 인해, 직접 에너지원과 환원제로 활용 가능하다. 단점은 슬래그 내 Li 농도는 낮은데 회수를 위한 에너지 요구량이 높아, 슬래그 내 Li은 주로 건축 자재 첨가제로만 사용된다. 즉, 리튬이온배터리에서 가장 중요한 Li의 회수가 불가능하다. 이러한 건식 공정의 한계로 인해, Al, Li 슬래그는 습식공정으로 보내 회수하게 된다.
습식 공정
건식공정이 열을 가하는 방식이었다면, 습식공정은 별도의 침전물을 넣어서 원하는 금속을 추출하는 방식이다. 습식공정은 단독으로 사용하기보다는, 대부분, 건식공정에서 회수가 불가능했던 Co, Ni, Li 등을 회수하기 위한 추가 작업으로 많이 사용하고 있다.
습식공정에는 크게, 가수분해 공정과 전기분해 공정이 적용된다. 가수분해는 거대 분자를 물 분자를 이용해서 분해하는 것이고, 전기분해는 전기에너지를 가해, 산화환원 반응을 유도하는 것이다. 우선, 블랙 파우더에 LiOH(수산화리튬)를 넣어서 가수분해 통해서 LiCO(탄산리튬)을 추출한다. 그리고 LiCO(탄산리튬)을 전기분해 통해 Li 빼고, CoO₄(산화코발트) 를 회수한다. 다음, 건식공정에서 나온 금속 Alloy(Al, Li 등)에 HCl(염화수소)을 넣어 침출(용제를 혼합물에 통과시킬 때 일어나는 혼합물로부터 용해물질 추출)하면, Co, Ni 화합물이 나온다. 이를 다시 H2SO4(황산)를 넣고 NaCl(염화나트륨)까지 침출하면 다시 Co가 나온다. 이렇듯 금속 스크랩에서 특수 재료를 넣어서 용액으로 침전시키고, 이 과정을 통해 빼내기 쉬운 원소의 상태로 만드는 것을 리칭 프로세스라고 한다.
스크랩 (Scrap)
(공업) 금속류 물품이 수명을 다한 경우, 재활용을 위한 처리에 들어가는 것, 혹은 그러한 금속.
표준화된 프로세스는 없지만, 가장 각광받고 있는 방법은 전처리에서 건조 분쇄를 통한 블랙파우더 방식에, 후처리에서는 건식과 습식공정을 함께 적용하는 방식이다. 이럴 경우, 파일럿 단계에서 Li, Ni, Co, Cu 등 대부분 금속에 대해 99% 이상의 회수율을 보인다. 다만, 양산 단계에서 경제성이 보장되려면, 전처리, 습식공장에서의 자동화, 습식공장에서의 수율 등이 뒷받침되어야 한다.
Part IV. 앞서고 있는 중국! 미국은?
폐배터리 리사이클링 산업도 ‘중국’이 앞서고 있다
제2의 광산이라 불릴 만큼, 중요한 폐배터리 리사이클링 산업에도 중국이 가장 앞서고 있다. 사실, 이 산업 역시, 중국에게 유리한 측면이 있다. 우선, 폐배터리에 대한 공급이다. 중국은 리튬이온 배터리 생산뿐 아니라, 양극, 음극 재료 생산, 1차 재료 정제 기술까지 약 70% 이상을 차지하고 있다. 이에 재활용 재료에 대한 접근성이 뛰어나다. 글로벌 폐배터리 리사이클링 시장 규모는 약20억 달러(Global market research, TrendForce 기준)로 추정되는데, 이 중, 중국이 약10억 달러 수준으로 MS 50% 이상을 차지하고 있다.
MS (market share, 시장 점유율)
경쟁 시장에서 어떠한 상품의 총 판매량 가운데 한 기업의 상품이 차지하는 비율을 말한다. 곧, 특정 산업, 가령 선철 등의 제품 시장에서 취급되는 전 거래량 중에서 한 기업이 정하는 비율을 가리킨다.
중국의 폐배터리 리사이클링 정책이 정부 차원에서 본격화된 것은 2018년부터다. 그 전에도 관련 정책이 있었지만, 중국 정부가 본격적으로 난립된 기업 정리에 들어간 것은 2018년부터였다. 2018년, 중국 정부는 징진지(베이징, 톈진, 허베이), 산시성, 상하이시, 장쑤성 등 17개 지역을 EV 배터리 재활용 시범 지역으로 지정했다. 그리고 배터리 회수 및 재활용 네트워크에 대한 관리 플랫폼을 통해 정부의 관리·감독 강화를 강조했다. 당시, 중국은 5,000개 이상의 중소형 기업들이 이 사업을 영위하고 있었으나, 정부에서 지정한 기준에 미달되는 기업들을 모두 정리하고, 5개사만 선정하였다. 그리고 2020년 12월에도, 한차례 정리를 진행했으며, 선정 기업 수는 22개로 증가했다. 중국이 관련 산업에 빠르게 정부가 개입한 것은 사실이지만, 다소 시일이 걸릴 것으로 보인다. 이는 아직 폐배터리 리사이클링 관련 표준화된 기준 및 비즈니스 모델이 없는 상황이기 때문이다. 현재, 중국 정부 정책 방향은 배터리 제조사별 다른 형태, 크기, 구성물질 등에 대한 기준을 마련, 폐배터리 재사용, 재활용 단계별 표준화를 이루는 것이다. 이를 위해, 완성차, 배터리셀, 소재, 리사이클링 기업이 협력 체제를 구축하여, 셀, 팩 크기 및 모양, 모듈 및 팩 형태 단순화 등이 우선적으로 진행될 것으로 보인다.
중국에서 연간 천톤 이상 규모의 상업 생산 중인 기업은 GEM, Brunp, Huayou Cobalt, Ganzhou Highpower다. GEM, Brunp, Huayou Cobalt는 습식 공정으로 진행하고 있으며, Ganzhou Highpower는 건식과 습식 공정을 동시에 사용하고 있다.
Huayou Cobalt (SHA: 603799)
Huayou Cobalt는 글로벌 주요 코발트 공급업체로 잘 알려져 있으며, 사업부문은 ClSL(Closed-loop supply chain) 달성을 목표로, 광산(Co, Ni), 양극 전구체, 양극활물질, 리사이클링까지 포함되어 있다. 2017년 3월, 100% 자회사 Huayou Recycling Technology를 설립하며 리튬이온배터리 리사이클링 사업을 시작하였다. 본격 양산은 2018년부터 시작되었으며, 배터리 팩/모듈 자동화 시스템을 통한 해체, 분쇄 등 전처리 과정과 습식 공정을 통해 리사이클링을 진행하고 있다. 동사는 연간 65,000톤 배터리팩 처리 능력을 가지고 있으며, 이 중, 38,000톤은 Huayou Cobalt의 Co 습식제련 라인이다. 따라서 Huayou Recycling Technology에서는 약2만톤 규모로 리사이클링 양산 중에 있다. 동사는 2021년 5월, POSCO와 합작사를 설립, 9월부터 연간 만톤 규모의 리사이클링 공장 착공에 들어갔다. 이는 유럽 배터리 공장에서 블랙 파우더를 가져와, Ni, Co, Li 등을 회수하는 것이기 때문에 전처리 라인 없이 습식 공정만 운영될 것으로 보인다.
동사 (同社)
앞에서 이미 언급한 회사.
GEM (SHE: 002340)
GEM은 2001년 중국 심천에 설립된 리사이클링 기업이다. 동사는 전자 폐기물, 배터리 폐기물, Ni/Co/W 금속 스크랩 등을 처리하고 있다. Ni/Co/W 금속 스크랩과 폐리튬이온배터리는 습식 공정을 통해서 Co, Ni 등을 회수해낸다. 동사는 전처리 공정 라인을 보유하고 있으며, 전처리를 통해, 습식 공정 라인으로 블랙파우더를 보낸다. 블랙파우더를 용액에 용해 시켜, 후 Cu2+, Al3+, Fe2+, Co2+, Ni2+ 와 같은 금속 이온을 다양한 용액으로 분리한다. 여기까지가 습식제련이고, 이 후, 이렇게 얻어진, Co/Ni 함유 용액은 합성 및 고온 처리 등을 통해 Co/Ni염으로 생산해낸다. 또한 초미세 Co/Ni 분말도 생산하여, 다양한 경질 합금 생산에도 활용한다. 아쉬운 것은, Li 회수율에 대한 언급이 없다는 점이다. 이에 다소 까다로운 Li 회수에 대한 기술은 부족한 것으로 보인다. GEM은 연간 5천톤 규모의 NCM 및 NCA 전구체 재료 생산 능력을 설계해 놓았으며, 혼합 폐전지 처리량 중 20%가 리튬이온배터리라고 가정 시, 양산 규모는 약 2천톤 규모로 예상된다.
Brunp (CATL이 인수)
Brunp는 2005년 중국 푸산에 설립되었으며, 폐전지 등 리사이클링 기업이다. 2013년~2015년, CATL은 동사 주식을 지속 매입해(69.02%), CATL의 자회사가 되었다. 동사는 리튬이온배터리 포함 폐전지 처리용량은 3만톤 이상이다. 동사의 리튬이온배터리 리사이클링 용량은 정확하게 알 수 없지만, Ni, Co, Mn₂O₃를 연간 만톤 생산한다고 설명하고 있다. 동사는 방전, 열처리 등 전처리 공정을 보유하고 있으며, 이를 통해 습식 공정 후, 금속을 회수하고 있다. 습식 공정에서는 산/염기 침출, 용매 추출, 결정화 방식을 사용하고 있으나, Li에 대한 회수율은 이야기하고 있지 않다. 이에 주로 Ni, Mn, Co 회수를 하고 있으며, GEM과 마찬가지로 Li 회수에 대한 기술은 다소 부족한 것으로 보인다.
미국은 R&D 중심으로 접근 중
미국은 폐배터리 리사이클링 관련 산업 초기 단계이며, 정책 역시, 원료 채굴 및 정제 가공에 더 초점이 맞춰져 있다. 이는 폐배터리 공급을 위한 미국 내 배터리 관련 제반 시설이 부족하기 때문에, 어찌 보면 당연한 정책 동향이다. 다만, 미국의 배터리 공급망 재편 정책으로, 한국 중심 배터리 기업들의 미국 현지 공장 증설이 빠르게 확대되고 있다. 그리고 광산 및 가공에 있어서도 높은 가격, 자원 국유화 움직임 등으로 미국에 있어 폐배터리 리사이클링이 중요하다. 이에 폐배터리 리사이클링 산업 기술 표준화를 위한 R&D에 좀 더 치중하고 있다. 정부 정책으로 보면 2019년부터 배터리 재활용 인프라에 대해 2,050만 달러 투자를 발표했다. 또한 배터리 수거 및 재처리율을 5%에서 90%로 확대할 계획을 밝혔다. 미국 에너지부 DOE와 NREL에서는 리사이클링 관련 로드맵을 수립하고, 다양한 기관과 배터리 리사이클링 표준 개발을 위한 협력을 확대하고 있다. 미국 정부의 리사이클링 인프라 확대에 대한 투자 발표로 미국 내에서도 생산능력을 대거 확대한 기업들이 등장하고 있다.
R&D (Research and development, 연구개발)
경제 협력 개발 기구에 따르면 "인간, 문화, 사회의 지식을 비롯한 지식을 증강하기 위한 창조적인 일이자 새로운 응용물을 고안하기 위한 지식의 이용"을 가리킨다.
DOE (United States Department of Energy, 미국 에너지부)
미국 내각 수준의 미국 정부 부서로, 에너지 및 핵 안보에 대한 미국의 정책과 관련되어 있다. 핵무기 프로그램, 미국 해군을 위한 원자로 생산, 에너지 절약 에너지 관련 연구, 방사성 폐기물 처리, 미국 에너지 생산에 대한 일을 한다. DOE는 다른 미 연방 기관보다 기초 및 응용 과학 연구를 더 후원하기도 한다. 미국 에너지 장관이 이 부서를 관장하며 본사는 워싱턴 DC 서부에 위치해 있다.
NREL (National Renewable Energy Laboratory)
미국 에너지부(DOE) 산하 국립재생에너지연구소
미국에서 연간 천톤 이상 규모의 상업 생산 중인 기업은 Retriev(Heritage 합병), Redwood Materials, Li-Cycle이 있다. 이 기업 모두, 전처리와 습식 공정 위주로 생산되고 있다. Retriev(Heritage 합병)와 Redwood Materials 외에는 아직, 습식공정을 통한 금속 회수량은 미미하다.
Retriev Technologies (Heritage에 합병)
Retriev Technologies는 1990년대 미국에 설립된 배터리 리사이클링 기업이다. 동사는 납, NiCd, NiMH, LiBs 등에 대한 리사이클링을 하고 있다. 2009년, 동사는 미국의 리튬이온배터리 재활용 지원을 위한 공장 설립을 위해, 미국 DOE로부터 950만 달러를 지원받았다. 그 이후, 리튬이온배터리에 대한 전처리 공정 및 습식공정을 통해 리사이클링 양산을 해왔다. 다양한 배터리 리사이클링 경력을 바탕으로 그동안 북미에서 가장 큰 배터리 기업으로 자리매김하고 있었다. 2021년 10월, Heritage는 배터리 리사이클링 사업 확장을 목표로 Retriev와의 합병을 추진했다. 합병 이후, 배터리 테스트, 보관 등 물류 플랫폼을 통해 리사이클링 사업을 확장시킬 것으로 보인다. 2021년 기준, 연간 4,500톤 규모로 양산 중에 있다.
Redwood Materials
Redwood Materials는 2017년에 설립된 신생 배터리 리사이클링 기업이다. 동사는 17년간 테슬라 CTO로 지낸 JB Staubel이 대표라는 점에서 유명세를 탔다. 현재, 미국 내 규모로는 가장 큰 생산능력을 보유하고 있다. 동사는 리튬이온배터리 기준, 연간 18,000톤을 양산하고 있으며, 전처리 공정과 건식, 습식공정을 조합하여 금속을 회수하고 있다. 이를 통해, Li, Co, NiSO₄, CoSO₄, 흑연을 회수 판매하고 있다. 동사는 엘앤에프와의 제휴를 통해 원료 공급부터 리사이클링까지 제공할 예정이다. 그리고 동사는 엘앤에프로부터 양극재 설계 및 제조기술을 제공받기로 계약한 상태다. 동사는 리사이클링 관련, 테슬라, ford, SK이노베이션, 파나소닉과 협약을 맺은 상태다.
CTO (Chief Technical Officer, 최고 기술 경영자)
임원 직책 중의 하나로 통칭 기업 내에서 최고 기술 책임자이다.
엘앤에프
동사는 2000년 설립돼 2003년 코스닥 시장에 주식을 상장함. 2차전지 양극활물질과 그에 관련된 소재 제조 및 판매를 주요 사업으로 영위함. 스마트기기, ESS 등을 만드는 데 쓰임. 중국에 위치한 무석광미래신재료유한공사와 경북 김천에 위치한 제이에이치화학공업을 연결대상 종속회사로 보유함. 대구 달서구와 경북 칠곡군 등에 생산시설을 운영 중임. 매출은 수출 96.97%, 내수 3.03%로 구성됨.
출처 : 에프앤가이드
Ford Group (Ford Motor, 포드 자동차)
미국의 자동차를 제조, 판매하는 다국적 기업이며, 단순히 포드(Ford)라고도 한다. 포드는 1903년 6월 16일 미국 미시간주 디어본(Dearborn)에서 헨리 포드(Henry Ford)가 설립했고 디어본에는 현재에도 포드 본사가 있다. 2004년 포츈 잡지의 매출액 기준에 의하면, 양대 자동차 회사인 폭스바겐 AG와 토요타 자동차의 뒤를 이어 세계 3위의 자동차 회사이다. 그러나 수년 전만 해도 포드는 제너럴 모터스에 이어 둘째로 큰 자동차 회사였다.
SK이노베이션
SK가 2007년 투자사업부문을 영위할 SK와 석유, 화학 및 윤활유 제품의 생산 판매 등을 영위할 분할신설법인인 동사를 인적 분할함으로써 설립됨. 2009년 10월 윤활유 사업부문을, 2011년 1월 석유 및 화학 사업부문을 각각 물적 분할하였음. 사명을 SK에너지에서 SK이노베이션으로 변경하였음. 2018년 9월 말에 회사의 전략적 판단에 따라 FCCL사업을 넥스플렉스에 매각 완료.
출처 : 에프앤가이드
파나소닉 (Panasonic)
일본의 가전제품 생산을 주요 사업으로 하는 대기업이자 굴지의 리튬 이온 전지 제조사이다.
Li-Cycle
Li-Cycle은 폐배터리 리사이클링 사업만 하고 있는 캐나다 기업이다. 2016년에 설립되어, 2021년 2월, 스펙 합 병을 통해 상장되었다. 동사는 연간 만톤 양산 중이며, 전처리 공정 포함, 습식 공정을 통해, LiCO₃, CoSO₄, NiSO₄를 회수하고 있다. 현재, 대부분 매출은 전처리 공정을 통해 회수되는 블랙 파우더와, Cu, Al이다. 다만, 후공정을 통해 회수되는 Li, Co, Mn 에 대한 본격 양산을 통한, 생산능력 확대를 계획하고 있다. 동사는 2023년까지 3.5만톤 블랙 파우더를 Li, Ni, Co, Mn으로 분리할 수 있는 습식공정 신설 예정이며, 이를 통해, Ni 4.2~4.8만톤, Co 6,500~7,500톤, Li 7,500~8,500톤을 생산할 수 있다. 동사는 GM-LGES 합작법인 얼티엄셀즈와 니켈 장기 구매계약을 맺은 상태다.
GM Group (General Motors, 제너럴 모터스, 지엠)
미국에 기반을 둔 자동차 제조 기업으로 뷰익, 캐딜락, 쉐보레, GMC, 홀덴을 포함해 전 세계적으로 자회사와 상표를 가지고 있으며, 과거에는 허머, 새턴, 사브, 폰티액, GM대우, 올즈모빌, 들로리언, 복스홀 등의 브랜드도 가지고 있었다.
LGES (LG에너지솔루션)
유럽과 국내는 어떻게 진행되고 있나?
유럽 폐배터리 정책
유럽의 폐배터리 정책은 2006년 처음 등장했으나, 리튬이온배터리 재활용 원료에 대한 부분은 2020년 첫 등장으로 보면 된다. 유럽은 2020년 12월, 새로운 배터리 규제 안을 통해, 유럽 내 생산 배터리는 2024년부터 탄소발자국 공개, 배터리 주요 원료는 재활용 원료 사용 등을 발표했다. 구체적으로 2030년 1월, 배터리 사용 Co 12%, Li, Ni 각각 4% 등 반드시 재활용 원료를 사용할 것을 제안했다. 또한 재활용 비율을 2020년 45%에서 2025년 65%, 2030년에는 70%까지 높일 계획이다.
탄소 발자국 (carbon footprint)
개인 또는 단체가 직접·간접적으로 발생시키는 온실 기체의 총량을 의미한다. 여기에는 이들이 일상 생활에서 사용하는 연료, 전기, 용품 등이 모두 포함된다.
유럽에서 천톤 이상 상업 생산 중이 기업은 Umicore(벨기에), Accurec(독일), Nickel hutte Aue(독일)가 있다.
Umicore(벨기에)
Umicore는 대표적인 글로벌 양극재 원료 및 생산 기업으로 잘 알려진 기업이다. 동사는 2011년부터 배터리 리사이클링 Pilot plant를 시작으로, 현재, 약 7천톤 규모로 자회사인 Umicore Battery Recycling HQ를 통해 상업 생산 중이다. 동사는 리튬이온배터리 리사이클링의 경우, 전처리공정을 통해 건식과 습식 공정을 동시에 적용하고 있다. 동사는 제련공정을 자세하게 발표한 기업 중 하나다. 우선, 건식 공정은 크게 1) 전해질이 증발되는 상부 구역(<300°C), 2) 플라스틱이 열분해되는 중간 구역(700°C), 3) 제련 및 환원이 일어나는 바닥 영역(1,200-1,450°C) 3가지 단계의 온도 구역에서 이루어진다. 건식 공정 후, Co, Ni, Cu의 회수를 위해 습식 공정으로 과립화하여 전달한다. 그리고 리칭 프로세스를 통해 LiCoO₂, Ni(OH)2를 회수해낸다. 2021년 12월, 동사는 폭스바겐과 양극재 소재 물량 확보를 위한 합작사를 설립했다. 또한 LG화학도 동사 인수를 검토 중인 것으로 알려져 있다.
Accurec(독일)
Accurec은 1995년 독일에 설립된 폐배터리 리사이클링 기업이다. 리튬이온 배터리의 경우 자동차 배터리를 포함한 휴대용 및 산업용 애플리케이션 모두 리사이클링 하고 있다. 현재, 연간 3,000톤 규모로 양산 중에 있다. 동사는 물리적 전처리, 건식, 습식 공정을 모두 적용하고 있다. 전처리 공정에서 분류, 분해 및 방전, 유기 성분을 분해한다. 그리고 Al과 같은 특정 귀금속의 산화를 피하기 위해 600°C로 제한한 온도에서 열처리를 한다. 열처리 후, 기계적 분리 공장에서 선별, 분쇄 및 분류 공정을 거친다. Co, Ni 정광, Co염, Ni염은 건식 및 습식 공정으로 전달된다. 현재까지는 Ni, Co, Cu 회수가 가능하지만, 2021년 3월부터 가동이 시작된, 설비를 통해 Li, 흑연에 대한 회수를 시도하고 있다.
NHA(Nickel hutte Aue) (독일)
NHA는 1635년 독일에 설립된 건식 리사이클링 기업이다. 동사는 비철금속이 포함된 폐기물 재활용에 특화되어 있어, Ni, Cu, Co 등 금속과 화학, 제약산업, 수소화 공정에서 발생하는 폐촉매 포함 귀금속까지 회수가 가능하다. 리튬이온배터리 재활용은 2011년부터 시작되었으며, 이는 열처리, 건식, 습식 공정 모두 적용한다. 2021년 기준, 연간7천톤 규모로 양산 중이다.
국내 폐배터리 정책
국내는 소형 IT 배터리에 관한 리사이클링 의무 법안은 없으나, EV 배터리 리사이클링 의무 법안은 있다. 다만, 아직 국내외 시범 사례가 없고, 표준화 진행이 더딘 상황이기 때문에, 회수 및 관리 측면에서 제도 보완이 더 필요하다.
성일 하이텍
성일하이텍은 2022년 3분기 코스닥 상장 예정인 국내에서 유일하게 상업 생산 중인 기업이다. 2000년에 귀금속 리사이클링으로 설립된 기업으로, 2008년부터 리튬이온배터리 리사이클링 사업을 시작했다. 2021년 기준, 생산능력은 습식 제련 기준, 연간 5,000톤 수준이며, 말레이시아, 중국, 인도, 군산 1,2공장, 헝가리 1,2 공장 등이 있다. 상장 후, 군산 제 3공장 증설을 시작으로, 폴란드, 독일 등 유럽 공장 설립도 추진할 예정이다. 동사는 물리적 전처리 공정과 습식 공정으로 진행된다. 동사는 물리적 전처리를 통해, Cu, Al 포일을 회수하고, 블랙 파우더를 습식 공정에 적용시켜, Co, Ni, Mn, Al를 분류한 후, 마지막으로 Li을 회수한다.
LiBs 리사이클링 수익성 확보는 위해서는?
LiBs 리사이클링 수익성에는 LFP 배터리가 유리
이론적으로는 리사이클링이 채굴, 정제 대비 수익성이 높지만, 현존하는 기술 적용 시, 에너지 사용 비용, 시약 비용, 인건비가 너무 높다. 우선, 지역 내 재활용 운송비는 낮겠지만, 제반 시설이 부족한 국가는 폐배터리를 수입해와야 하기 때문에 운송비가 높아질 수 있다. 현재, 미국의 경우, LiBs 리사이클링의 경우, 제반 시설 부족으로 운송비가 많게는 리사이클링 비용의 25% 이상을 차지한다. 인건비의 경우, 배터리 분해 시, 대부분 수동이기 때문에 약 17% 이상(분해 인건비만)을 차지한다. 따라서 이에 대한 자동화 시스템 역시, 필요하다. 또한 건식의 경우에는 전기료 등 에너지 비용이 높고, 습식의 경우에는 에너지 비용은 건식보다 낮지만, 시약 등 공급 원료 비용이 생산비의 33% 이상을 차지한다. 따라서 현재, 건식만 사용하면, 에너지 비용 및 Li 회수가 어렵고, 습식만 사용하면 생산비가 높아, 수익성이 저조한 상황이다. 이를 해결하기 위해, 첫째, 자동화된 배터리 분해 시설이 필요하다. 분해 인건비만 약 17% 이상을 생산비에서 차지하는데, 후공정 인건비까지 더해지면, 약23% 정도가 된다. 이에 분해 시설은 자동화가 필요하며, 분해 자동화를 위해서는 팩, 모듈, 셀 구성 화합물 단순화가 필요하다. 둘째, 후처리 공정 개발이 필요하다. 습식은 아무래도 시약 비용이 높다. 이에 건식에서 최대한 회수하고, 그다음 습식 공정을 적용하는 게 유리하다. 그러므로 건식 공정을 우선 최대한 활용하는 것이 경제성 측면에서 유리하다. 따라서 에너지 비용을 낮출 수 있는 공정 개발이 필요하며, 건식 활용을 높이기 위해서는 삼원계보다는 LFP가 유리하다. LFP 리사이클링 시, 습식에서의 시약 비용도 최소화할 수 있기 때문이다. 현재, 완성차, 배터리 셀, 소재, 리사이클링 기업이 협약을 통해, 리사이클링 산업 기술 표준을 위해 노력하고 있다. 따라서 기술 표준화를 위해 중요한 배터리 제조의 단순화가 주된 관심으로 자리 잡을 수 있으며, 이에 유리한 배터리 LFP다. 이에 향후, 완성차 기업들의 LFP 배터리 적용이 더 확대될 수 있다는 판단이다.
22/05/11 이베스트증권 Analyst 안회수,이안나
마치며
철강, 화학이 합쳐지니 또 다른 재미가 있네요. 이제 철강기업도 단순히 철강으로만 분류하면 안 될 것 같습니다. 전기차 시대가 막을 열면서 배터리 또한 경쟁이 심화되어가고 있음을 느낍니다.
미국은 리튬의 ‘염수형 생산과 직접추출기술’, 니켈의 ‘황화광 프로젝트’ 기업들을 집중적으로 육성할 것으로 예상하고 계시네요. 더불어 리사이클링 또한 대두될 테니 염두에 두면 어떨까 싶습니다. 외국 기업들은 아직 생소한데 보기 좋게 정리해 주셔서 읽어가는데 도움이 되었네요.
- 국내 Top Pick: POSCO 홀딩스(005490), LG 화학(051910), 성일하이텍(비상장)
- 해외 Top Pick: Livent(NYSE:LTHM), Sumitomo Metal Mining(TYO:5713), GEM(002340.SZ)
을 제시하였으니 참고해보셔도 좋을 것 같습니다.
감사합니다. 오늘도 많이 배우고 갑니다.😊
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