폐배터리 재활용과 신소재 공학 강연

[01~03] 다음은 강연의 일부이다. 물음에 답하시오.

안녕하세요, '청소년을 위한 신소재 공학 이야기' 강연을 시작하겠습니다. 저는 신소재 공학과 교수 ○○○입니다. 오늘은 폐배터리 재활용을 중심으로 신소재 공학에 대해 알아보고자 합니다. 우리가 매일 사용하는 휴대 전화를 떠올려 봅시다. 오래 사용하여 배터리의 수명이 다한 휴대 전화를 교체한 일이 다들 한 번쯤은 있을 거예요. 그런데 수명을 다한 배터리들이 어떻게 처리되는지 생각해 본 적이 있나요? 우리가 무심코 버리는 작은 배터리들이 사실은 우리 지구와 미래 산업에 큰 영향을 미치고 있습니다.

폐배터리 재활용은 단순히 폐기물을 처리하는 것을 넘어, 폐배터리에서 리튬, 코발트, 니켈 같은 핵심 광물 자원을 추출하여 다시 사용하는 과정입니다. 이 광물들은 미래 산업의 '금'이라고 불릴 만큼 중요하지만, 전 세계적으로 채굴량이 한정적이고, 채굴 과정에서 환경 파괴가 발생하기도 합니다. (화면을 가리키며) 한 조사 기관에 따르면, 전 세계의 폐배터리 재활용 산업은 2040년에 274조 원까지 성장할 것으로 전망됩니다. 이러한 폐배터리 재활용 산업을 이끌어 갈 학문이 바로 신소재 공학입니다. 배터리의 양극재, 음극재, 전해질 등 모든 부품이 신소재 공학의 연구 대상이기 때문입니다.

그러나 아직 폐배터리 재활용은 쉽지 않은 것이 현실입니다. 그 이유는 바로 소재의 복잡성 때문입니다. 배터리에는 다양한 소재가 혼합되어 있습니다. (화면을 가리키며) 현재 사용되는 배터리는 전기차에 주로 쓰이는 니켈, 코발트, 망간부터 에너지 저장 장치에 주로 쓰이는 리튬, 철, 인산염까지, 용도에 따라 다양한 화학 물질로 구성되어 있습니다. 이처럼 성분이 다른 배터리들은 한꺼번에 재활용되기가 매우 어려우므로 폐배터리를 분해하여 원하는 금속만 선택적으로 분리해 내는 기술이 필요합니다. 이처럼 폐배터리에서 금속을 분리하여 재활용하기 위해서는 소재의 화학적, 물리적 특성을 이해할 필요가 있으므로 신소재 공학의 지식을 갖추어야 합니다.

또한 기존 배터리들은 성능과 안전성을 최우선으로 고려하여 설계되었기 때문에, 재활용을 염두에 두고 개발되었다고 보기 어렵습니다. 그렇기 때문에 폐배터리를 파쇄하고 녹이는 과정에 많은 비용과 에너지가 소모됩니다. (화면을 가리키며) 신소재 공학에서는 배터리의 설계 단계부터 재활용을 고려한 기술을 연구합니다. 이는 쉽고 효율적으로 재활용할 수 있도록 배터리 구조를 새롭게 설계하고, 동시에 폐배터리 재활용 과정에서 환경 오염을 줄일 수 있는 소재를 개발하는 것을 포함합니다. 예를 들어 접착제를 사용하지 않는 볼트를 사용한 모듈형 설계를 도입하여 배터리를 분해할 때 여러 물질을 쉽게 분리할 수 있는 구조를 개발하거나, 재활용 과정에서 금속 회수 효율을 높이는 용매를 연구하는 것 등이 이에 해당합니다. 이러한 과정에서 공정 설비를 설계하는 기계 공학, 공장 자동화를 담당하는 전기 전자 공학, 그리고 재활용 공정에서 발생하는 환경 오염을 저감하고 관리하는 환경 공학 등 다양한 학문과 협력하게 됩니다.

신소재 공학은 배터리뿐 아니라 반도체, 바이오 소재, 친환경 에너지 소재 등 다양한 산업에서 핵심 역할을 맡고 있는 분야입니다. 더 가볍고 강하며, 효율적이고 안전한 새로운 소재에 대한 사람들의 수요가 늘어나는 현재의 상황을 떠올려 본다면, 신소재 연구의 중요성은 계속 커질 수밖에 없습니다. 특히 미래 산업의 기반이 되는 첨단 소재 개발은 정보 통신, 교통, 에너지, 환경 기술과 직접 연결되어 있어, 신소재 공학은 여러 분야와 협력하며 폭넓게 성장할 전망입니다.