[르포]다 쓴 리튬배터리로 만드는 배터리...DS단석 재활용 공장 가보니

DS단석 LIB 재활용 공장 준공
폐배터리 파쇄물 블랙매스 생산
리튬·망간 등 추출해 재활용

지난 9일 전북 군산 DS단석 군산1공장 한구석에 검은 가루가 가득 담긴 포대 열여 개가 놓여 있었다. 밀가루처럼 고운 가루를 보니 낯설지 않았다. 연필심으로 흔히 쓰이는 흑연이 떠올랐다. 가루의 정체를 반은 맞췄다. 이 가루의 정확한 명칭은 블랙 매스(Black mass). 폐배터리를 분쇄한 가루로, 다 사용한 배터리에 남아 있는 이온을 추출해 배터리 제조에 재활용하기 위해 만든 물질이다. 배터리 음극재로 사용되는 흑연(탄소)이 블랙 매스의 약 30%를 차지한다.

DS단석이 생산한 리튬이온배터리 블랙 매스의 모습. [사진=이성민 기자]

이날 DS단석은 리튬이온배터리 재활용 공장을 준공했다. 재생연(납)이나 구리 생산 시설이 있던 유휴부지에 리튬이온배터리 재활용 공정 설비를 추가했다. 이차전지 시장이 급성장하자 배터리 재활용 기술을 활용해 리튬이온배터리 재활용으로 사업 영역을 확장하기 위해서다.

리튬이온배터리의 재활용 과정은 크게 전처리와 후처리로 나뉜다. 전처리는 폐배터리를 파쇄해 블랙 매스로 만드는 과정이다. 후처리는 전처리 과정에서 얻은 블랙 매스에서 리튬 등 배터리 제조에 사용되는 원료를 최종 추출하는 과정이다.

DS단석 군산1공장에서 원료로 사용되는 납 폐배터리의 모습니다. [사진제공=DS단석]

DS단석이 이번에 구축한 리튬이온배터리 공장은 전처리 과정에 해당한다. 군산1공장에 납 폐배터리로부터 재생연을 생산하는 기존 시스템과는 방식이 좀 다르다. 재생연은 납 배터리를 파쇄 후 용매를 섞어 페이스트 형태로 만든 후, 불순물 사이에서 납 성분만을 선별해 괴로 만든다.

반면 블랙 매스를 만들기 위해서는 우선 폭발을 막기 위한 방전 처리를 한다. 이후 파쇄된 방전 배터리에 열처리하는 소성 과정을 거친다. 블랙 매스 속 불순물을 제거하기 위해 자력선별, 비중선별 등 선별 과정을 거친다. DS단석은 총 6단계의 불순물 선별 작업을 거친다. 이렇게 생성된 블랙 매스는 90% 이상의 순도를 가진다는 설명이다. 공장 관계자는 "타사가 생산하는 블랙매스 순도가 80~85% 정도 되는 것으로 알고 있는데, 불순물 선별 과정을 여러 번 진행해 순도를 크게 높인 것이 특징"이라고 귀띔했다.

파쇄된 폐배터리는 6단계의 불순물 선별 과정을 거쳐 순도 높은 블랙 매스로 탄생한다. [사진제공=DS단석]

이차전지는 음극재, 양극재 구별 없이 셀 전체를 재활용하기 때문에 블랙 매스에는 니켈, 코발트, 망간, 리튬 등 이온이 섞여 있다. 보통 니켈·코발트·망간(NCM) 35%, 탄소 30%, 리튬 3.5% 등으로 구성된다. 이렇게 생산된 블랙 매스는 후처리 공정 시설이 있는 업체에 납품, 배터리로 만들 수 있는 원료를 추출해 배터리 제조사에 공급되는 방식이다.

이날 공장에서 블랙 매스가 만들어지는 모습을 볼 수는 없었다. 아직 대량 양산에 들어가지는 않았기 때문이다. DS단석은 본공정에 들어가면 연산 5000t 규모 블랙 매스를 생산할 수 있을 것으로 추산하고 있다. 박준호 DS단석 연구개발(R&D) 금속소재개발팀 선임연구원은 "시운전만 하는 상태지만, 다음 달부터 본격적으로 가동할 예정"이라고 말했다.

2011년 배터리 재활용 사업에 진출한 DS단석은 블랙 매스 제조 설비 구축을 시작으로 리튬이온배터리 재활용 수직계열화를 만드는 목표를 세웠다. 한 번에 많은 양을 투입해야 하는 후처리 공정 특성을 고려해, 블랙 매스를 최소 3만t 이상 확보한 이후 습식 추출 기반의 후처리 공정 시설도 도입할 예정이다. 재활용 원료만을 이용해 NCM 전구체 등 생산도 나선다는 계획이다.

군산=이성민 기자 minute@asiae.co.kr