2차전지 공급망

전기차 공급망은 원자재 채굴과 정제 및 전기차용 리튬 이온 배터리 생산 및 기타 부품을 생산하는 프로세스로 구성되어 있습니다. 리튬이온 배터리 공급망의 경우 전기차 전체 차량 가치의 30~40%를 차지하고 있습니다. 리튬, 코발트, 흑연, 니켈, 망간은 모두 전기차 배터리에 필요한 중요한 광물입니다. 전기차 시장의 성장으로 이들 재료에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있으며 이러한 재료의 공급망을 확보하는 것은 세계 경제의 큰 과제가 되었습니다. 또한, 이러한 원자재 수요를 줄이기 위한 전략으로 재활용과 배터리 기술의 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 
배터리 공급 체인은 많은 과제에 직면해 있습니다. 배터리를 만드는데 필요한 자원은 보통 추출된 장소에서 제조 시설까지 멀리 떨어져 있으며, 중요 광물 매장량은 소수의 국가에 집중되어 있습니다. 또한, 광산을 채굴하는 부분에서 각종 규제, 권력층의 부패, 환경 악화등  때문에 여러 커뮤니티에서 반대하는 등 여러 문제에 직면해 있습니다.

 

 

리튬배터리의 라이프사이클

전기차 리튬배터리의 라이프 사이클에는 주로 원료 단계, 배터리 제조 단계, 운용 단계, 사용 종료 관리 단계의 4단계가 있습니다.

제1 단계: 희토류 추출입니다.

제2단계: 전처리 공장에서 정제된 후 배터리 제조업체가 이 재료들을 인계받아 배터리를 생산하고 팩에 조립하기 시작합니다.

제3단계: 배터리 팩은 EV 통합을 위해 자동차 제조사에 보내집니다.

제4단계: 라이프관리가 이루어지지 않을 경우 배터리의 귀중한 재료가 낭비될 수 있습니다. 사용이 끝난 배터리 팩은 배터리 상태(SOH)에 따라 고정 스토리지로 재사용되거나 재활용됩니다.

배터리는 수명 주기가 길기도 하고, 기업과 국가 간 긴밀한 협력이 필요합니다. 현재 원자재 단계와 배터리 제조 및 운용 단계가 잘 확립되어 있습니다. 하지만, 재활용 프로세스는 경제성 때문에 성장에 어려움을 겪고 있습니다. 왜냐하면 호주에서는2017~2018년 리튬이온 배터리의 6%만이 재활용을 위해 회수될 정도로 재활용 비율이 낮습니다. 또한, 향후 니켈, 코발트, 리튬 공급이 더욱 어려워질 것으로 예상되므로 전기차 배터리 재활용에 대한 성장이 활발히 이뤄질 것으로 보여집니다. 이렇게 재활용에 대한 성장이 이뤄질 경우, 원자재 채굴로 이한 온실가스(GHG) 배출을 줄일수도 있습니다.

 

배터리 제조

참조 위키피디아

 

배터리 제조 과정에는 재료 제조, CELL 제조, 통합의 3단계가 있으며 각각 회색, 녹색, 주황색으로 표시되어 있습니다. 이 그림에 나타난 프로세스에는 CELL 하드웨어 제조, 즉 케이싱과 전류 수집기는 포함되지 않습니다. 재료 제조 공정에서는 먼저 활성화 물질, 전도성 첨가제, 폴리머 바인더 및 솔벤트를 혼합합니다. 그 후, 건조 공정의 준비가 된 코팅된 물질에 도포합니다. 이 단계에서는 활성화 물질 제조 방법은 전극과 화학에 의존합니다. 음극의 경우 가장 일반적인 화학물질 중 2가지는 전이금속산화물, 즉 리튬니켈망간코발트산화물(Li-NMC)과 리튬금속 인산염(LFP)입니다. 양극의 경우 흑연을 사용하는데  현재 가장 인기 있는 화학물질입니다. 그러나, 최근에는 Si 혼합 양극(Sila Nanotic, Pro Logium)과 Li 금속 양극(Cuberg, Solid Power)을 사용하는 회사가 많아졌습니다. 
그렇게 만들어진 재료는 그런 다음 전해질을 충전하여 셀을 봉입한 후 전지 셀을 신중하게 사이클하고 양극을 보호하는 SEI를 형성합니다. 그 후, 이 배터리들은 차량 통합 준비가 되어 있는 팩에 조립됩니다.

 

 

재활용
배터리 팩이 원래 용량의 70~80%까지 저하된 경우 수명이 다한 것으로 정의됩니다. 이러한 팩을 관리 방법 중 하나는 팩을 재사용하는 것입니다. 이 팩을 저장용용으로 재사용함으로써 kWh당 라이프사이클에 미치는 영향을 줄이면서 배터리 팩에서 더 많은 가치를 끌어낼 수 있습니다. 그러나 이러한 배터리의 재활용은쉽지 않습니다. 아래의 몇 가지 문제가 배터리 재활용 산업의 발전에 걸림돌이 되고 있습니다

우선 배터리가 동작하면서 열화가 발생합니다. 각 배터리 셀의 열화이 원인은 다를 수 있습니다. 현재 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 배터리 상태(SOH) 정보를 추출할 수 있습니다. 좀더 자세한 상태 정보를 취득하려면 차세대 BMS가 필요합니다. 또한 동작 중 온도, 충방전 패턴, 열화 등 배터리 수명이 끝날 때 기여하는 요인이 많기 때문에 열화 메커니즘이 다를 수 있습니다. 따라서 SOH를 아는 것만으로는 재활용 배터리 팩의 품질을 보증하기에는 부족할 수 있습니다. 이 과제를 해결하기 위해서 엔지니어들은 차세대 열 관리 시스템을 설계함으로써 열화를 줄일 수 있습니다. 또한, 배터리 내부의 열화를 이해하고 해결하기 위해서는 물리 기반 모델 및 기계 학습 기반 방법을 포함하는 계산 방법을 사용하여 서로 다른 열화 모드를 식별, 엄격한 검사를 통해 열화 수준을 정량화해야 합니다. 마지막으로 보다 효율적인 배터리 특성 도구, 예를 들어 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 사용하여 배터리 팩의 품질을 보증해야 합니다.

 

둘째, 팩으로된 배터리를 모듈과 셀을 분해하려면 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸립니다. 우선 모듈을 완전히 방전해야 합니다. 그런 다음 두 번째 라이프 애플리케이션의 전력 요건과 에너지 요건을 충족하도록 팩을 분해하고 재설정해야 합니다. 고중량 및 고전압 EV 배터리를 해체하려면 자격이 있는 작업자와 특수 공구가 필요하다는 점도 있습니다. 현재 분해 프로세스를 빠르게하기 위해 로봇을 사용하여 해결하려는 시도가 여러 번 있었습니다. 이 경우 해체 프로세스의 물리적 안전성을 높이는 기여할수도 있습니다.

셋째, 아직 배터리 기술은 표준이 없습니다. 배터리 개발은 EV의 핵심 부품이기 때문에 제조사가 팩에 음극, 양극, 전해질의 정확한 화학물질을 표시하지 않습니다. 또한 CELL과 팩의 용량은 설계에 따라 매년 변화합니다. 이 정보를 배터리 재활용회사에 적시에 업데이트를 해야하는데 제조업체와 긴밀히 협력해야하는데 쉽지 않습니다.

마지막으로 재활용 프로세스는 폐배터리에 비용을 추가하여 새로 만들어집니다. 재활용 비용이 들기 때문에 재활용한 배터리 가격이 새 배터리 구매하는 비용보다 싸더라도 그 차이가 별로 크지 않다면 매력적이지 않을 수 있습니다.