폐배터리 재활용에도 ‘맞춤 전략’이 필요하다

-경제성·환경성 분석해 폐배터리 종류와 금속가격별 공정 기술 제시

△ 세 종류의 폐리튬이온배터리(NMC, LCO, LMO) 재활용 공정 개요도. 폐배터리 전처리를 통해 블랙매스를 얻은 뒤 열처리 기반·습식·용매 기반의 세 가지 공정으로 재활용하는 과정을 나타냄

전기차 폐배터리는 어떤 방식으로 재활용해야 할까. 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 원왕연 교수 연구팀이 폐배터리의 종류와 재활용 방식에 따라 달라지는 경제성과 환경성을 종합적으로 분석해, 적합한 재활용 공정을 선택할 수 있는 기준을 제시했다.

전기차 보급이 확대되면서 사용된 폐배터리 양극재에서 리튬·니켈·코발트·망간 등 핵심 원료를 회수하는 재활용 기술의 중요성이 커지고 있다. 그러나 배터리 종류와 재활용 방식에 따라 경제성과 환경성이 달라지는 데다, 기존 연구는 평가 조건과 범위가 서로 달라 각 공정을 동일한 기준으로 비교하는 데 한계가 있었다.

*양극재(Cathode material): 리튬이온배터리의 핵심 구성 소재로, 리튬과 니켈·코발트·망간 등의 금속 종류에 따라 배터리의 성능과 특성이 달라짐

연구팀은 NMC(니켈·망간·코발트계), LCO(리튬코발트산화물계), LMO(리튬망간산화물계) 세 종류의 폐리튬이온배터리와 열처리 기반(pyrometallurgy), 습식(hydrometallurgy), 용매 기반(solvometallurgy) 재활용 기술을 조합한 총 9개 공정 시나리오를 공통된 평가 기준으로 설계·비교했다. 각 공정은 폐배터리 전처리에서 얻은 블랙매스로부터 리튬·니켈·코발트·망간을 회수하도록 설계했다.

*블랙매스(Black mass): 폐배터리를 파쇄·열처리·분리한 뒤 얻어지는 분말 형태의 중간 원료로, 리튬·니켈·코발트·망간과 흑연 등 유가물질(경제적 가치가 있어 회수하거나 재활용할 수 있는 물질)을 포함

그 결과, 연구팀이 설정한 기준 조건에서는 열처리 기반 재활용이 세 종류의 배터리 모두에서 가장 낮은 환경보정 최소 판매가격(e-MSP)을 보여 경제성이 가장 높았다. 하지만 니켈·코발트 등 회수한 금속의 판매가격이 50% 하락할 경우, NMC와 LCO에서는 습식 공정의 e-MSP가 가장 낮아졌다. 이는 회수 금속의 시장가에 따라 경제적으로 유리한 재활용 방식이 달라질 수 있음을 보여준다.

*환경보정 최소 판매가격(e-MSP): 투자·운영비 등 경제적 비용과 탄소배출에 따른 비용 및 감축 효과 등을 고려했을 때, 손해를 보지 않기 위해 제품을 팔아야 하는 최소 가격. 낮을수록 경제성이 높다

환경성 평가에서도 배터리 종류와 재활용 방식에 따라 차이가 나타났다. NMC와 LCO의 열처리 기반 공정은 회수한 코발트·니켈이 신규 금속 생산을 대체하면서 줄일 수 있는 온실가스 배출량까지 고려했을 때, 가장 낮은 온실가스 배출 영향(각 −20.36과 −67.68 kg CO₂-eq/kg-Li₂CO₃)을 보였다.

다만 경제성과 환경성이 항상 일치하는 것은 아니었다. LCO의 경우 용매 기반 공정은 습식 공정보다 e-MSP가 높아 경제성은 낮았지만, 온실가스 배출 영향은 더 적었다.

원왕연 교수는 “폐배터리 재활용에서는 높은 금속 회수율 달성뿐 아니라 배터리에 포함된 금속을 어떤 공정으로 회수해야 경제성과 환경성을 함께 확보할 수 있는지를 판단하는 것이 중요하다”며 “이번 연구는 실제 산업에서 재활용 공정을 선택하고 향후 규모 확대와 사업성을 검토하는 데 활용할 수 있는 정량적인 기준을 제시했다”고 밝혔다.

본 연구 성과는 국제 학술지 ‘Environmental Impact Assessment Review’(IF=12.2, JCR 상위 3.2%) 온라인에 9월 7일 게재됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단 Global C.L.E.A.N. 사업과 국토교통부 국토교통과학기술진흥원 연구개발사업 지원을 받아 수행했다.

*논문명: Comparative eco-techno-economic and life-cycle assessment of recycling processes for spent lithium-ion battery wastes

*DOI: 10.1016/j.eiar.2026.108710

*URL:https://doi.org/10.1016/j.eiar.2026.108710

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 비라 발라사라(Vira Valasara)·고보경 석박사통합과정(공동제1저자), 안병찬 박사(공동저자), 원왕연 교수(교신저자)