초록 ▼

이차전지란 한 번 사용하고 버리는 일차전지와는 달리 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환시켜 충·방전이 가능한 전지를 의미한다. 니켈카드뮴전지, 연축전지 등 이차전지의 종류는 다양하나 이 중 리튬이차전지는 스마트폰을 비롯해 블루투스, 드론, 전기차(EV), 에너지저장장치(ESS) 등에 폭넓게 활용되어 오늘날 전지 시장을 주도하고 있다. 리튬 이차전지 시장은 스마트폰의 상용화를 통해 시장 입지를 다졌으며, 최근 전기차의 급속한 보급과 ESS의 등장에 힘입어 시장규모가 크게 확대되고 있다. 이처럼 급성장하는 이차전지 시장의 속도

이차전지란 한 번 사용하고 버리는 일차전지와는 달리 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환시켜 충·방전이 가능한 전지를 의미한다. 니켈카드뮴전지, 연축전지 등 이차전지의 종류는 다양하나 이 중 리튬이차전지는 스마트폰을 비롯해 블루투스, 드론, 전기차(EV), 에너지저장장치(ESS) 등에 폭넓게 활용되어 오늘날 전지 시장을 주도하고 있다. 리튬 이차전지 시장은 스마트폰의 상용화를 통해 시장 입지를 다졌으며, 최근 전기차의 급속한 보급과 ESS의 등장에 힘입어 시장규모가 크게 확대되고 있다. 이처럼 급성장하는 이차전지 시장의 속도에 상응하여 효용 만료 및 폐기 등을 통해 폐배터리의 형태로 그 배출 또한 급증할 것으로 전망된다.

하지만 현재 리튬이차전지가 폐기된 이후의 회수 및 관리체계가 미흡한 상황이다. 생산자 책임재활용제도(EPR) 대상 배터리는 수은전지, 산화은전지, 리튬일차전지, 니켈카드뮴전지, 망간/알칼리망간전지, 니켈수소전지만을 대상으로 하고 있어 리튬이차전지는 관리의 사각지대에 있다. 특히 보조배터리, 전기차용 및 ESS용 폐배터리 등은 배출 이후 관리체계 및 처리 가이드라인이 부재한 상황이다. 또한 폐리튬이차전지는 잘못 관리될 경우 폭발 위험성이 높기 때문에 수송 및 처리에 있어 안전성이 요구된다.

현재 리튬이차전지 내 유가금속의 가격이 수요 확대로 인해 급격히 상승하고 있다. 희유금속인 코발트와 리튬은 양극활물질의 주요 성분으로, 양극활물질은 소재 원가의 40% 상당을 차지하는 핵심 소재이다. 국내 이차전지 업계에서는 코발트와 리튬을 전량 수입에 의존하고 있는 상황으로 국제 유가금속 가격 상승에 매우 취약한 상황이다. 이에 폐리튬이차전지의 자원순환 체계 마련을 통해 유가금속을 효율적으로 회수 및 확보할 수 있도록 정책적으로 지원할 필요가 있다.

해외에서는 자원 회수 및 안전성에 대비한 폐리튬이차전지의 관리체계 구축 및 재활용기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 하지만 국내의 경우 리튬이차전지가 배출된 이후 관리흐름에 대한 연구조차 미미한 상황이다.

이에 본 연구에서는 리튬이차전지의 폐자원흐름 분석을 통해 관리현황 및 체계를 파악하고 재활용을 저해하는 문제점을 분석하여 이에 대한 개선방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 소형(휴대폰 폐배터리)/중형(전기차 폐배터리)/대형(ESS 폐배터리)을 대상으로 각각 ①배출단계, ②수거단계, ③전처리단계, ④자원회수단계, ⑤활용단계에 이르는 단계별 흐름을 파악하였다. 또한 향후 발생량 전망을 통하여 희유금속 회수에 따른 수입대체 효과를 산정하고 자원순환성 제고를 위한 배출-수거-전처리-자원회수의 관리기반을 마련하였다.

먼저 소형(휴대폰 폐배터리)의 경우 배출형태는 일체형과 분리형으로 나눌 수 있다. 일체형은 휴대폰에 내장된 채 배출되는 리튬이차전지로 주로 가정에서 배출되며, 휴대폰 유통 및 생산업체에서 배출되는 양은 상당히 미미하다. 가정에서 배출되는 폐휴대폰(폐배터리 포함)은 주로 9가지의 경로 - 새 제품을 구매하는 곳(이동통신사 대리점, 이하 대리점), 캠페인, 상시수거, 위탁회수, 한국정보통신진흥협회(KAIT), 대형마트, 우체국, 민간수집, 중고거래 – 에 해당하는 것으로 나타났다. 이 중 캠페인, 상시수거, 위탁회수, 한국정보통신진흥협회(KAIT) 등에서 회수되는 폐휴대폰은 한국전자제품자원순환공제조합(이하 공제조합)에서 관리되고 있다. 공제조합에서 취합한 폐휴대폰은 수도권자원순환센터(MERC)로 운송되어 본체에서 폐배터리를 분리한 후 이를 재활용업체에 판매하고 있다. 한편, 대리점에서는 중고휴대폰을 구매하여 민간 알뜰폰 사업자(MVNO: Mobile Virtual Network Operators)에게 임대폰으로 판매하거나 해외로 수출하는 것으로 알려져 있다. 공제조합 실무자와의 인터뷰에 따르면, 배출된 전체 폐휴대폰 중 약 98%가 수출되고 있는 것으로 파악된다. 그 밖에도 대형마트, 우체국 역시 최종소비자로부터 일정 금액을 지급하여 중고폰을 구입한 후, 민간업자에게 판매하는 것으로 조사되었다. 수집업체는 사업자 혹은 협회(한국중고통신유통협회 등)로 나뉘며, 각 기관에서는 민간 대리점, 대형마트, 우체국 등을 통해 수거된 중고 휴대폰을 수출하거나 중고시장에서 거래하고 있다. 중고거래는 전자상거래의 형태로 C2C (Customer to Customer) 혹은 C2B (Customer to Business) 등으로 이루어지고 있다.

한편, 분리형의 경우 배출 및 수거 방식 등에서 일체형과 다른 형태를 지닌다. 배출 주체는 사업장과 수입으로 분류되며, 배터리 제조업체에서 공정 중 부산물의 형태로 배출되거나 미국, 호주, 말레이시아 등에서 분말 및 폐배터리 형태로 수입되고 있다. 중고제품으로 팔리거나 공제조합 등에서 회수하고 있는 일체형과 달리, 분리형은 바로 재활용업체로 운송되어 재활용된다. 수입의 경우 일부 폐배터리는 수입업체를 통해 국내에 반입되어 재활용업체로 운송되며, 나머지 폐배터리 및 분말은 재활용업체에서 직접 수거하고 있다.

재활용업체로 운송된 폐리튬이차전지는 전처리 및 자원회수 공정을 거치게 된다. 이는 소형뿐만 아니라 전기차용 및 ESS용 폐배터리 등 다른 제품 유형의 리튬이차전지에도 동일하게 적용된다. 전처리단계에서는 원료 투입-파쇄-입도분리-자력선별-리튬전지 화합물 회수를 통해 수거된 폐전지를 파쇄해서 분말 형태로 만드는 과정이며, 자원회수 공정에서는 분말로부터 침출-여과-저장-추출의 과정을 통해 코발트, 황산망간, 니켈, 인산리튬, NMC 파우더 등을 회수할 수 있다. 추출된 유가금속 중 망간, 코발트, 리튬 등은 결정화 단계를 거쳐 메탈종류로 생산되며, 인산리튬은 탄산리튬 생산 공장을 거쳐 최종적으로 탄산리튬으로 전환 및 생산된다.

이렇게 회수된 유가금속(코발트, 황산망간, 니켈, 인산리튬, 탄산리튬, NMC 파우더)은 전구체 업체, 합금 제조업체, 활물질 제조업체 등에 판매된다. 코발트의 일부는 타이어 관련제품 제조업체에도 납품되고 있다.

다음으로 중형(전기차 폐배터리)의 경우에도 각 단계별로 관리현황을 조사하였다. 국내배출은 ①개인, ②기관, ③사업체, ④제조사 등으로 구분된다. 전기차 소유주는 개인을 의미하나, 현재 국내에서 판매되는 전기차 대부분은 정부 및 지자체 보조금을 받고 있기 때문에 전기차 배터리는 지자체 소유로 구분된다. 기관이란, 공공기관에서 구매한 전기차량을 의미하며, 사업체는 버스회사를 뜻하는 운수업체, 전기택시업체, 렌터카업체, 배터리리스 사업체 등 4가지 유형으로 구분된다. 한편, 폐배터리 형태로 배출되는 분리형은 배터리 제조사와 완성차 제조사에서 주로 공정 중에 발생한다. 소형 배터리와는 달리, 전기차 배터리는 팩 상태로 출시되기 때문에 배터리팩 해체작업이 필요하며, 이는 수작업으로 진행되고 있어 현재는 제조사에서 재활용업체에 처리비용을 지불하고 처리하고 있다.

국내외적으로 전기차 보급이 급격히 늘어갈 것으로 전망되는 가운데, 전기차 배터리 역시 2020년까지 약 200억 달러 시장을 형성하며 크게 성장할 것으로 예측된다. 전기차 배터리는 각 형태에 따라 용량이 다르나, 휴대폰 배터리 기준으로 4,300개의 배터리 용량에 해당한다. 본 연구에서 전기차 폐배터리의 발생량을 추정한 결과, 2017년에는 3대에 불과하나 2025년에는 8,321개의 폐배터리가 발생할 것으로 예측되며, 이는 1,976톤에 해당하는 수치이다. 하지만 현재 「대기환경보전법」에 따라 보조금이 지급된 전기차의 경우 폐차 혹은 수출 등 말소 시 해당 폐배터리를 지방자치단체의 장에게 반납하도록 하고 있으나, 그 이후의 관리체계가 마련되어 있지 않아 현장에서는 혼선을 빚고 있다. 또한 전기차 폐배터리의 경우 발화 및 폭발 가능성이 높아 안전성에 대한 위험성이 지속적으로 제기되고 있으나, 이를 고려한 안전취급 지침 역시 부재한 실정이다. 이에 본 연구에서는 보조금 지급/미지급을 구분하고, 폐차 및 수출 등으로 말소되는 경우 이외에도 운행 중인 전기차 배터리에 대해 한계 효용에 도달했다고 소비자가 판단하는 경우, 교통사고 발생으로 파손의 우려가 있는 경우 등 크게 4가지 사항으로 구분하여 관리체계(안)을 마련하였다.

대형(ESS 폐배터리)의 경우에도 정부로부터 ESS 설치 지원 혹은 전력요금 감면 등을 통하여 보조금이 지급되고 있으나, 이 역시 전기차 폐배터리와 마찬가지로 관리체계가 아직 구축되어 있지 않은 상황이다. 현재 개인 배출 ESS는 주로 가정용 ESS 형태로 배출될 수 있으나, 아직까지 국내 가정용 ESS 보급률은 상당히 낮은 상황이다. 기관의 경우 주로 공공기관에서 사용하고 있으며, 사업체의 경우에는 UPS나 발전소 등에서 주로 사용된다. 지금까지는 ESS 폐배터리의 발생량이 없으나 향후 발생할 경우 지정업체를 통해 수거될 것으로 예상된다. 또한 LG화학, 삼성SDI, 코캄, 인셀, 탑전지 등 ESS 제조사에서 공정 부산물로 발생된 폐배터리 역시 향후 배출 시 재활용업체로 바로 보내질 것으로 판단된다.

상기의 각 제품 유형별로 리튬이차전지의 폐자원흐름을 분석하여 관리상 문제점 및 개선방안을 도출하였다. 우선 소형 폐리튬이차전지(휴대폰 배터리 및 보조배터리 등)에 대해 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 국내 유통 폐배터리의 부정확한 통계관리를 들 수 있다. 현재 국내에서 배출되는 폐휴대폰의 98% 이상이 민간 수집업체를 통해 수출되는 것으로 추정되나 이에 대한 세부적인 흐름파악이 어려운 실정이다. 휴대폰용 리튬이차전지의 경우 통신·사무기기군에 포함되어 이동전화단말기와 함께 관리되고 있어 리튬이차전지만의 관리 및 별도 배출량(통계) 산정이 어렵다. 또한 이동전화단말기 외 전기청소기, 보조배터리 등은 대상에서 제외되어 있어 관리의 사각지대에 놓여 있다. 현행법상 리튬이차전지는 배터리 EPR 대상품목에서 제외되어 있으며, 향후 EPR 대상으로 고려하기 위해서는 분리·수거량, 수출입량, 재활용시설의 규모, 제품의 내구연한 등에 대한 자료가 필요하나 이에 대한 통계자료 역시 미흡한 상황이다.

둘째, 선행연구 결과에 따르면 국내 스마트폰 사용자 1,000명 중 집에 보관하는 사람이 약 54.5%로 조사된 바 있다. 이는 휴대폰 중 약 2,484만 대가 가정에서 보관되고 있음을 의미하며, 유가금속인 코발트 함량으로 환산하면 약 135톤에 해당한다. 금속자원의 대부분을 수입에 의존하고 있는 국내 여건상, 자원 안보 측면에서도 가정 내 방치되고 있는 폐배터리의 배출을 유도할 필요가 있다. 현재 공제조합에서는 상시수거 홈페이지를 통해 택배수거 서비스를 제공하고, 지자체 및 종교, 교육 기관 등에 수거함을 설치하였으나 여전히 많은 시민들이 이러한 정보를 접하지 못하고 있으며, 택배시간을 맞추어야 하는 번거로움이 수반된다. 또한 최종소비자가 배출을 꺼리는 이유 중 하나로 개인정보 유출에 대한 우려를 들 수 있다. 이에 휴대폰 내 개인정보 삭제를 위한 애플리케이션 개발이 요구되며, 소비자의 인식이 효과적인 배터리 수거 및 재활용의 성공요소이니만큼 소비자의 배출을 촉진하기 위한 인센티브가 필요하다.

또한 판매업자 역회수 범위를 확대하고 그 역할을 강화할 필요가 있다. 환경성보장제도 내 회수 의무 대상사업장은 전기전자제품 판매업자로, 의무이행 전년도 매출액이 50억 이상인 사업장에 해당한다. 통계청 자료에 따르면, 전체 2만 3,167개 휴대전화 판매업자 중 직원 4명 이하의 중소규모 업체가 전체의 90%를 차지하며, 매출액 50억 원 미만은 전체 사업장의 약 98%에 해당한다. 즉, 휴대전화 판매 사업자 중 약 2%가 회수 의무대상자이므로 전국 약 310여 개의 사업장만이 이에 해당된다. 대부분은 회수 의무 대상자에서 제외되어 있으므로 대리점 역회수를 통한 제도권으로의 배출량이 미미하다고 할 수 있다. 뿐만 아니라, 판매업자가 소비자에게 배터리 배출 정보를 제공할 수 있도록 그 역할이 강화되어야 할 것이다. 참고로, 미국 뉴욕주의 경우 해당 판매점에서는 “Rechargeable Battery Take-Back Program”에 따라 폐이차전지를 회수하여야 하며, 배터리의 배출 정보가 담긴 자료를 소비자에게 제공하도록 하고 있다.

셋째, 폐리튬이차전지의 안전 배출 및 수거지침이 마련될 필요가 있다. 리튬이차전지는 관리 미흡 시 폭발의 우려가 있으므로 배출 시 테이핑을 하거나 밀봉함으로써 발생할 수 있는 위험을 미연에 방지할 수 있다. 폐보조배터리 역시 생활폐기물과 함께 배출되어서는 아니 되며, 판매업자 및 공공수거센터 등으로 회수될 필요가 있다. 이를 위해 「재활용가능자원의 분리수거 등에 관한 지침」 개정(안)을 제시하여 보조배터리 등 관리의 사각지대에 있는 리튬이차전지류에 대한 소비자 배출체계를 구축하였다.

넷째, 재활용단계에서 배터리 분류가 용이하도록 양극활물질 라벨/심볼을 부착할 필요가있다. 리튬이차전지는 사용된 양극활물질에 따라 유가가치가 상이하며, 이는 재활용 여부의 기준이 된다. 휴대폰 배터리는 주로 리튬코발트(LCO)계열, 전기버스에는 리튬니켈망간코발트(NMC) 또는 인산철(LFP)계열이 사용되나, LFP계열은 유가가치가 낮아 현재 재활용 시 별도로 분류되고 있다. 하지만 라벨 등 구분이 없어 재활용업체에서 재활용 가능 배터리를 선별하는 데 어려움을 겪고 있다. 이에 배터리 분류가 용이하도록 리튬이차전지 표면에 찍어내는 방식으로 라벨링을 검토할 필요가 있다.

다섯째, 수출입폐기물 올바로시스템의 개선이 필요하다. 폐리튬이차전지는 수출입 허가대상 폐기물로, 이는 국가 간 이동의 통제가 필요한 폐기물에 해당한다. 수출입 올바로시스템의 통계자료에 따르면, 폐리튬이차전지는 폐전지, 폐전기전자폐기물, 그 밖의 폐기물 등 다양한 코드명으로 입력되고 있다. 하지만 이는 바젤협약 부속서 VIII (목록A)에 의한 유해폐기물로 수입되는 만큼 기존 사업장폐기물 코드(51-41-02: 2차 폐전지)를 보다 세분화하여 하나의 코드명으로 별도 관리될 필요가 있다.

다음으로, 중·대형 리튬이차전지에 대한 관리상 문제점은 다음과 같이 4가지로 구분하여 정리할 수 있다.

첫째, 전기차 폐배터리의 관리체계가 마련될 필요가 있다. 2017년 9월 기준, 전기차 폐배터리를 반납해야 하는 사례로 3건이 발생하였다. 모두 보조금을 지급받은 전기차이기 때문에 「대기환경보전법」에 따라 폐배터리는 지자체로 반납되어야 하나, 아직까지 1대만 회수된 상황이며 현장에서는 처리지침이 배포되지 않아 이후 처리에 대해 혼선을 빚고 있다.
또한 보조금 미지급 대상에 대해서도 전기차 폐배터리 회수 경로를 검토할 필요가 있다.

둘째, 전기차 폐배터리의 폭발성 등을 고려한 안전관리 지침이 부재하다. 전기차 배터리에 대한 안전성 문제는 현재까지 끊임없이 이어지고 있으며, 최근에는 전기차 배터리의 폭발에 따른 유독가스 문제도 제기되고 있다. 전기차 NMC계 리튬이차전지의 경우 환경부 고시 제2017-76호 「유독물질 및 제한물질·금지물질」로 지정되었다. 이는 ‘산화 코발트 리튬 망간 니켈 및 이를 1% 이상 함유한 혼합물’로 급성독성(흡입) 및 수생환경유해성(만성)으로 인해 「유독물·관찰물질」 지정에 편입되면서 「폐기물관리법 시행령」 제3조에 따라 지정폐기물로 관리될 필요가 있다. 하지만, 아직 지정폐기물의 경우 전지류는 폐납산배터리만 해당하여 NMC계 폐리튬이차전지에 대해서도 추가 관리가 필요하다.

셋째, 전기차 폐배터리의 재사용 및 재활용 지원근거가 부재하다. 박수항(2016)에 따르면 독일연방 재생에너지협회(BEE)와 미국 국립재생에너지연구소(NREL)에서 시행한 연구결과, 7~15년 정도 사용한 전기차 배터리일지라도 초기 용량의 70~80% 수준에서 ESS용 등으로 재사용이 가능한 것으로 분석되었다. 2015년 11월, 산업통상자원부 한국에너지기술평가원에서는 ‘xEV 폐배터리를 이용한 ESS(500kWh 급) 기술개발 및 실증사업’을 시작하였다. 향후 수거된 전기차 폐배터리는 ESS 등으로 재사용이 가능한 배터리와 물질재활용해야 할 폐배터리로 구분될 것으로 전망된다.

넷째, 전기차 및 ESS 폐배터리팩의 해체가 어려운 상황이다. 재활용업체와의 인터뷰에 따르면, 배터리팩의 경우 수작업으로 볼트와 너트 등을 해체해야 하므로 해체에 대한 인건비와 해체시간이 상당히 소요되는 것으로 나타났다. 현재 제조사에 따라 볼트와 너트의 형태가 다르기 때문에 일일이 수작업으로 본체에서 배터리를 해체해야 한다.

상기에 명시된 중형(전기차 폐배터리)/대형(ESS 폐배터리)의 관리상 문제점에 대하여 다음과 같이 11가지 측면에서 개선방안을 검토하였다.

첫째, 보조금이 지급된 전기차 폐배터리의 관리체계(안)을 마련하였다. 「대기환경보전법」 에 명시된 폐차 혹은 수출 등의 말소 이외에도 전기차 배터리의 한계효용에 도달했다고 소비자가 판단한 경우나 교통사고 발생으로 파손의 우려가 있는 경우 등 4가지로 구분하여 사용 의무기한, 배출형태, 회수기관 등을 고려하여 전기차 폐배터리의 관리체계(안)을 제시하였다.

둘째, 폐배터리 보관 및 성능검사 등을 위한 재사용센터(가칭)가 필요하다. 현재 지자체 내에 전기차 폐배터리를 보관할 수 있는 공간, 환경, 인력 등이 부재하며, 자동차 제조사 정비업체에서도 자체적으로 폐배터리를 보관 및 관리할 수 있는 공간이 부족하기 때문에 통합 관리체계의 필요성을 제기하고 있다. 지자체장이 지정한 자로서 폐배터리 보관 및 관리 역할을 대행할 수 있는 재사용센터(가칭)가 필요하며, 본 센터(가칭)의 주요 역할은 ①폐배터리 수거/보관, ②성능검사, ③검사 결과에 따른 처리, ④전산업무, ⑤회계업무 등에 해당하도록 검토하였다. 재사용센터(가칭)에는 안전한 전기차 배터리 탈거 및 처리가 가능하도록 인증을 받은 전문 인력을 배치하고, 특정 설비와 이력관리 체계를 구축할 필요가 있다.

셋째, 전기차 폐배터리의 보조금 회수 지급기준(안)을 검토하였다. 현행 「대기환경보전법」 제58조제4항에 따라 자동차의 의무운행기간(2년)을 충족하지 못한 경우, 지원된 경비의 일부를 회수할 수 있다. 하지만 적용되는 보조금 회수요율이 탈거 귀책자 혹은 사유 등에 상관없이 배출가스 저감장치와 동일한 회수기준으로 적용되고 있다. 하지만 저감장치와 전기차 배터리 간의 특성 및 가치의 차이(보증기간 등)를 고려하여 전기차 폐배터리의 특성에 맞는 회수요율이 제시될 필요가 있다.

넷째, 보조금이 지급되지 않은 전기차 폐배터리에 대해서도 관리체계 마련이 필요하다.
보조금 미지급 전기차 폐배터리는 현행법상으로 관리체계가 존재하지 않는다. 향후 보조금이 지급되지 않은 전기차 폐배터리 역시 기능저하/불량으로 인한 배터리 교체, 폐차 등의 형태로 배출될 것으로 전망된다. 이렇게 배출되는 폐배터리는 재사용센터(가칭)로 인계되어 배터리 소유자의 결정에 따라 성능검사 유무가 결정될 것이며, 재사용/재활용 중 하나로 처리될 것으로 예상된다.

다섯째, 현재 리튬이차전지의 특성이 반영된 수거 및 보관 방법이 부재하므로 폐배터리의 안전 취급을 위한 지침(안)을 제시하였다. 전기차 배터리의 경우 100kg이 넘어가는 경우가 대부분이며, 중량은 곧 폭발력과 비례한다. 손상 혹은 파손 등으로 인해 배터리 내 전해질이 유출될 경우 그 위험성은 더욱 커진다. 올해 UN에서는 국제위험물도로운송규칙(ADR: The European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road)을 통해 리튬이차전지의 운송기준을 세부적으로 명시하고 있다. 독일 또한 환경부에 의해 설립된 전지협회인 GRS Batterien에서 폐리튬이온전지 및 기타 산업용 폐배터리를 안전하게 수거하기 위한 특별 컨테이너를 제공하고 있다. 국내에서도 전기차 폐배터리의 안전 취급 및 관리를 위한 지침을 마련하기 위하여 수집·운반, 보관, 처리 측면에서 최소한의 요건을 고려하였다.

여섯째, 「폐기물관리법」 내 지정폐기물의 기준 및 방법 개선(안)을 제시하였다. 현재 전기차 폐배터리와 같은 NMC계 리튬이차전지는 지정폐기물로 「폐기물관리법」에 의해 관리될 필요가 있으나, 이와 관련한 처리 방법 및 기준이 부재한 상황이다. 이에 「폐기물관리법시행규칙」 [별표 5] ‘폐기물의 처리에 관한 구체적 기준 및 방법(제14조 관련)의 지정폐기물의 기준 및 방법’에 수집·운반 및 보관 단계에서 리튬이차전지의 특성을 고려한 개선(안)을 마련하였다.

일곱째, 전기차 폐배터리의 재사용 및 재활용 촉진을 위한 법적 근거를 마련할 필요가 있다. 이에 「전기·전자제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률」 제25조(폐자동차 재활용비율의 준수 등), 제28조(폐자동차의 처리·재활용비용의 충당) 및 제31조(폐자동차 재활용결과의 보고 등) 등 3가지 조항에 대하여 검토하였다.

여덟째, 전기차 폐배터리 통계관리 체계를 구축할 필요가 있다. 폐배터리의 국내 흐름을 파악하는 데 유용하게 사용될 수 있도록 별도의 폐기물 코드를 지정할 필요가 있다. 또한 환경공단 EcoAS에서는 재활용단계의 자동차 폐배터리를 집계하고 있으나, 일반 폐납산배터리와 전기차 배터리의 구분이 어려운 상황으로 전기차 폐배터리의 추가 집계가 필요하다.

이를 위해 국토교통통계누리의 자동차 등록자료에서 전기차, 하이브리드카 등 차종별 관리하는 것과 같이 EcoAS에서도 전기차 배터리가 집계될 수 있도록 전기차가 추가되어야 하며, 해체재활용단계에서 전기차 폐배터리가 입력될 수 있도록 항목을 검토할 필요가 있다.

아홉째, 전기차 폐배터리 안전 수거를 위한 담당 부서 및 홍보가 필요하다. 현재는 대기관리과, 환경과, 에너지과, 경제과학과 등 여러 부서에서 전기차 배급업무가 배정되어 있으나, 전기차 폐배터리에 대한 업무를 맡는 부서는 지정되어 있지 않다. 따라서 자동차 소유자 등이 전기차 폐차 및 수출, 고장 등에 따른 전기차 폐배터리 관련 질의 및 민원을 제기할 때 혼선이 빚어지지 않도록 담당부서를 지정해야 할 것이다. 또한 환경부에서 발행하는 보조금 업무 처리지침에 소비자의 배터리 반납 의무를 추가하여, 담당 부서로 하여금 소비자에게 전기차 배터리 관련 법령과 폐배터리 처리 방법을 안내하도록 할 필요가 있다.

열째, 보조금이 지급되는 ESS 폐배터리에 대해서도 관리체계(안)을 마련하였다. 정부는 ESS 설치지원 혹은 전력요금 감면 등을 통하여 ESS에 대한 보조금을 지원하고 있으며, 계약전력 대비 ESS 배터리 용량이 5% 이상에서 10% 미만인 경우 신재생에너지 할인 금액의 20%를 추가로 할인받을 수 있다. 보조금이 지급되는 ESS 폐배터리에 대해서도 관리체계(안)을 마련하여 향후 재사용/재활용 체계 내에서 수렴될 수 있도록 검토하였다.

마지막으로, 전기차 및 ESS 배터리팩의 경우 수작업으로 해체해야 하므로 인건비 지출이 상당한 비중을 차지하고 있다. 특히, ESS의 경우 그 크기에 비례하여 유가금속의 함량이 높아지는 만큼, 유가금속이 최대한 회수 및 재활용될 수 있도록 디자인 단계에서부터 해체 단계에서의 용이함을 반영할 필요가 있다.

향후 상기에 제시한 개선사항을 바탕으로 각 제품 유형별로 폐배터리의 자원회수가 원활히 이루어질 경우, 코발트 등 유가금속의 수입대체 및 환경영향 저감에 상당히 기여할 수 있는 것으로 나타났다. 수입대체 효과 분석 결과, 지난 5년간 리튬이차전지용 코발트 수입량 평균값을 기준으로 2027년에는 수입량의 약 6%를, 2029년에는 약 15%를 대체할 수 있을 것으로 분석되었다. 또한 미국 EPA(2013) 자료에 따르면, 배터리 제조에 사용되는 원재료 추출 및 물질 공정 등의 과정이 환경과 인체건강에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며 자원회수를 통해 리튬이차전지 생애주기의 환경영향을 상당히 감소시킬 수 있음을 명시하고 있다.

본 연구결과를 통해 앞으로 소형 및 중·대형 폐리튬이차전지의 회수체계와 자원순환 촉진을 위한 기반을 마련함으로써 희유금속의 안정적인 수급을 도모하는 동시에 이차전지의 폭발성 등 위험성을 미연에 방지함으로써 안전 관리 및 자원순환성 제고에 기여하고자 한다.

(출처 : 국문요약 5p)

Abstract ▼

A rechargeable (secondary) battery is a battery which can be repeatedly charged by converting the external electric energy into a form of chemical one. Today, the secondary battery has been widely used in mobile phone, Electric Vehicle (EV), Energy Storage System (ESS), etc. However, there are sever

A rechargeable (secondary) battery is a battery which can be repeatedly charged by converting the external electric energy into a form of chemical one. Today, the secondary battery has been widely used in mobile phone, Electric Vehicle (EV), Energy Storage System (ESS), etc. However, there are several issues raised on how to manage these waste secondary batteries. Since the Extended Producer Responsibility (EPR) regulation only targets batteries made of mercury, silver-oxide, lithium primary, nickel-cadmium, manganese/alkaline-manganese, and nickel-hydride, lithium secondary batteries have been untouched for waste management. Moreover, waste battery products like portable chargers, EV battery and ESS battery has no disposal process guideline. Considering the risk of explosion and the trend of increasing price of valuable metals (cobalt, nickel, lithium, etc.) used in the lithium secondary battery, it is necessary to build the safe management and effective resource circulation system.

Therefore, we conducted the secondary material flow analysis for the waste lithium secondary batteries. With the analysis, we tried to understand the domestic system of waste lithium secondary battery and find out the bottlenecks in the process of recycling. Lastly, we suggested applicable and improved plans by forecasting the expected amount of the waste lithium secondary battery, and estimated the effect of import substitution by recovering the rare metals.

For this work to be done, we set the scope of this study into small size (for mobile), medium size (for EV) and large size (for ESS) of the lithium secondary battery and traced the flow of waste lithium secondary battery in the aspect of 5 stages, which are disposal stage, collection stage, recycling stage, resource recovery stage and utilization stage.

For the small size (for mobile) of the lithium secondary battery, the mobile phone battery is to be divided into two types: the battery equipped with the mobile phone and the battery itself. In the stage of the disposal, most of the mobile phones are discarded by household, distributor and manufacturer of the mobile phone. Most of the used mobile phones are collected in 9 routes which are: 1) store where customer purchases new mobile phone, 2) the public campaign, 3) the public permanent collection spot, 4) consignment collection, 5) Korea Association for ICT Promotion (KAIT), 6) large retailers, 7) Post office, 8) private collector and 9) private second hand dealers. After that, some batteries are sent to the recycling center under the management of Korea Electronics Recycling Cooperative (KERC) and 98% of used cell phones are assumed to be sold overseas. The latter one comes from the battery manufacturer or imported from the abroad such as U.S., Australia, and Malaysia, and is directly delivered to the recycling companies which is specialized in handling the waste lithium secondary battery.

In the recycling stage, waste mobile phone battery is treated with two sub-processes: 1) preprocessing stage and 2) resource recovery. This recycling process is adapted to the all types of lithium secondary battery. After the preprocessing stage, some of the metals such as cobalt, oxide manganese, nickel and lithium are produced in the resource recovery stage. These recovered metals are sold to the precursor, alloy and cathode active materials manufacturer. Some portion of the recovered cobalt is provided to the certain manufacturer, related to tire products.

For the medium size (for EV) of the lithium secondary battery, we also conducted the research on the flow of waste EV battery. EV battery is discarded by car owners, public sectors, business sectors and manufacturers.

Most of the owners of EV receive subsidies from the both federal and local governments. Therefore, the battery installed in the vehicle belongs to the local government.

Due to increasing EV sales in the global automobile markets, EV battery market is likely to grow in certain extent to the worth two billion by 2020.

In this research, we can estimate the expected EV waste battery to be increased significantly to 8,321 by 2025 (which is equivalent to 1,876 ton).

According to the ｢Clean Air Conservation Act｣, the waste batteries subsided by the government are returned to the local government head in the case of scraping or exporting the EV. However, there are no collecting and recycling schemes for the EV waste batteries. Considering the risk of the accidental explosion of the EV battery, we need to establish the safe and effective management system for the EV waste battery.

For the large size (for ESS) of waste lithium secondary battery, we also find there are no sound wastes manage schemes in Korea. ESS sold in Korea has been subsided by the government in the forms of supporting the installation or discounting the electricity bill. The ESS waste battery is assumed to be discarded by the household and the public/private sector including the power plants. In these days, the waste batteries produced during the manufacturing process are sent to the recycling company directly. We expect that in few years, the batteries would be discarded by the public or private sectors and treated by authorized center for collecting and recycling the waste.

Based on the secondary material flow analysis for each size of the lithium secondary battery, we point out the several management issues and propose the efficient safety strategies. We find five issues regarding on the small type of lithium secondary battery (mobile phone and portable charger) and also come up with four solutions in below.

First, there are inaccurate statistical data indicating the domestic flow of mobile waste battery. After the end-users sell their used phones to the retailers, it is difficult to grasp all the detailed flow of them. It indicates that the small lithium secondary battery including portable charger, wireless vacuum cleaner is out of legitimate system. Second, we find that 54.5% of smart phone users still keep their used phones, and we assume that 24 million used-phones are stored at home. The collecting system is not the end-user friendly. Third, there is no safety guideline to collect and transport small lithium secondary battery. Without taping or discharging, explosion risks are considerable for the lithium secondary battery. Fourth, it is difficult to sort the lithium secondary battery into each type. The recycling companies have troubles in sorting the various types of the lithium secondary battery due to lack of the labels indicating the type of cathode active materials used.

Lastly, it is necessary to improve the ‘Allbaro’ system to control the imported and exported lithium secondary battery. The level of importing the lithium secondary battery has been significantly increased by years and this is subject to the Basel Convention.

This study suggests four solutions to the problems that are mentioned in above. The solutions are: 1) track back schemes by retailers which need to be expanded in the terms of scope and role. The retailers participating in the legitimate collecting program is only 2% of the mobile phone industry in Korea with the results of the low rate in collecting the mobile phone waste battery. In addition, they need to provide their consumer information of collecting the waste lithium secondary batteries, 2) existing legitimate municipal guidelines need to indicate what and how to discard the waste lithium secondary battery under the ｢Act on Resource Circulation of Electrical and Electronic Equipment and Vehicles｣. Therefore, small size of the waste lithium secondary battery including portable chargers can be safely treated and discarded by the household, 3) the label which symbolizing the type of cathode active materials needs to be attached to the battery itself, 4) the classification of battery type code needs to be modified by adding the specified waste code, in order to appropriately manage them in statistical terms.

Next, this study looks into the result of secondary material flow analysis for the medium (for EV) and the large (for ESS) size of the lithium secondary battery and find three issues as well as ten solutions. The issues are: 1) there are no management systems for the EV waste battery. Even though「Clean Air Conservation Act」shows that the subsided EV battery should be returned to the local government head, there is no detailed instructions on collecting and recycling schemes and infrastructures, 2) there are no safe guideline of how to handle the EV waste battery. For many years, the risk of EV battery has been debatable in regard of explosion and low shock resistance, 3) it is difficult to disassemble the waste battery pack. All the bolt and nuts used in those products require hand work system since these are in different shapes depending on the manufacturers, and models of the products. Therefore, recycling companies have difficulty in dismantling those waste products in the recycling stage.

In this study, the following 10 aspects of the management problems for EV and ESS waste batteries are examined. 1) Plans for establishment of management system for the subsidized EV waste battery are suggested in the cases ① when the consumer determines that the EV battery has reached its marginal utility, ② when there is a risk of damage due to car accidents, ③ when the registration of vehicle is cancelled by scrapping, and ④ when the owner cancels the registration of vehicle for the export as a used car. 2) There is a necessity of reorganized subsidy withdrawal standard by the characteristics of EV waste batteries. Although the same standard with the reduction devices is appled at present, it is necessary to set the recovery rate that distinguishes the characteristics and the value of the devices. 3) A plan for establishment of management system for the non-subsidized EV waste battery is also suggested, so that it can be also collected into the reuse/recycling system. 4) Establishment of Reuse Center (tentative name) for storage and performance inspection of the waste batteries is examined. The center's functions are collection, performance inspection, processing by inspection results, computerization and accounting. 5) Establishment of new statistical management system for the EV waste battery is needed to complement the missing data of current management system for EV and EV battery. 6) Establishment of legal basis for promoting the recycling of waste battery is reviewed by suggesting complementary measures(Articles) for ｢Act on Resource Circulation of Electrical and Electronic Equipment and Vehicles｣. 7) Safety guidelines for the control of waste batteries is reviewed for the safe transport and handling of the lithium secondary batteries in accordance with UN ADR(The European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road). 8) There is a necessity of improvement standards and methods for ‘Designated Wastes’ by reflecting the characteristics of waste lithium secondary battery. 9) Establishment of the EV battery management department is needed for safe collection and providing relative information. 10) We suggest the safe management system for ESS and promote eco-design for the efficient recycling process. Furthermore, the establishment of cooperation system between battery pack manufacturers and recycling companies is needed for the development of easy-disassembling method for battery pack.

The above-mentioned approaches for improvements can significantly contribute to the import substitution of valuable metals such as cobalt and lithium by developing the recycling system for waste batteries.

In order to grasp the value of recovered valuable metals in detail, the study examined the import substitution effect of cobalt which has high economic effect. In 2027, estimated recoverable cobalt amounts for cell-phone are about 169 tons, 286 tons for EV and 234 tons for ESS, and the total amount is 689 tons. Based on the average value of imports over the past 5 years, the import substitution effect of cobalt recovered from waste batteries will be about 6% of imported amount in 2027 and about 15% in 2029.

The import substitution effect will be significantly increased through the recovery of valuable metals from large waste batteries such as EVs in the near future. Therefore, the efficient resource circulation system for lithium secondary batteries should be established at the earliest passible moment, considering the domestic situation where 90% of minerals are heavily dependent on the imports and the rising prices of the valuable metals such as cobalt and lithium.

(출처 : Abstract 183p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 서언 ... 3
• 국문요약 ... 5
• 목차 ... 19
• 표목차 ... 21
• 그림목차 ... 25
• 제1장 서 론 ... 27
• 1. 연구의 배경 및 필요성 ... 27
• 2. 연구의 목적 ... 28
• 3. 연구의 내용 및 방법 ... 28
• 제2장 리튬이차전지의 중요성과 연구대상 선정 ... 33
• 1. 이차전지의 정의 ... 33
• 2. 리튬이차전지의 원리와 구성 ... 36
• 3. 리튬이차전지의 국내외 시장 현황 및 전망 ... 39
• 가. 국외 ... 39
• 나. 국내 ... 40
• 4. 리튬이차전지 구성 유가금속 자원 현황 ... 50
• 5. 연구대상 선정(소·중·대형) ... 52
• 제3장 국내외 폐리튬이차전지 관리제도 현황 ... 57
• 1. 국외 주요국 리튬이차전지 관련 법제 ... 57
• 2. 국내 리튬이차전지 관련 법제 ... 64
• 제4장 국내 리튬이차전지 폐자원흐름 분석 ... 68
• 1. 국외 폐리튬이차전지 물질흐름분석 연구동향 ... 68
• 가. 전기자동차 리튬이온전지 폐자원흐름 전망 ... 68
• 나. 일본 리튬이온전지 내 코발트 물질흐름분석 연구 ... 71
• 2. 국내 폐자원흐름 분석을 위한 단계별 정의 ... 74
• 3. 제품별 폐자원흐름 분석 ... 75
• 가. 소형 폐리튬이차전지: 휴대폰 폐배터리 ... 75
• 나. 중형 폐리튬이차전지: 전기차 폐배터리 ... 96
• 다. 대형 폐리튬이차전지: 에너지저장장치(ESS) 폐배터리 ... 104
• 제5장 폐리튬이차전지의 관리상 문제점 분석 및 개선방안 ... 111
• 1. 현행 폐리튬이차전지 관리상 문제점 분석 ... 111
• 가. 소형 폐리튬이차전지: 휴대폰 폐배터리 및 폐보조배터리 ... 111
• 나. 중형/대형 폐리튬이차전지: 전기차 폐배터리 및 ESS 폐배터리 ... 120
• 2. 각 제품 유형별 관리 개선방안 ... 123
• 가. 소형 폐리튬이차전지: 휴대폰 폐배터리 ... 123
• 나. 중형 폐리튬이차전지: 전기차 폐배터리 ... 129
• 다. 대형 폐리튬이차전지: ESS 폐배터리 ... 150
• 제6장 결 론 ... 152
• 1. 폐자원흐름 분석 종합 ... 152
• 2. 유가금속 수입대체 가능량 산정 ... 157
• 3. 자원회수를 통한 환경영향 저감 측면 ... 162
• 4. 제언 ... 164
• 참고문헌 ... 171
• Abstract ... 183
• 끝페이지 ... 190