배터리 산업 속 위험 물질 PFAS 알아보기

배터리 산업 속 위험 물질 PFAS 알아보기

대학생신재생에너지기자단 22기 박주은

 

EU의 과불화화합물 규제

EU 집행위는 2020년, 「지속가능성을 위한 화학 전략」에서 과불화화합물(PFAS)에 대한 의제를 논의했다. 그 결과, 발암물질을 소비재와 취약계층에게 노출되는 용도로는 사용할 수 없도록 포괄적으로 금지하고, 법률에 명시된 예외적인 조건에서만 제한적으로 사용을 허용하였다. 즉, 물질 특성의 치명성과 관계없이 모든 PFAS 화합물을 규제하는 포괄적인 대책을 제안한 것이다.

[자료1. EU의 PFAS에 대한 action plan]

출처: 주벨기에 유럽연합 대한민국 대사관 겸 주북대서양조약기구 대한민국 대표부

전기차 시장이 증가하면서 배터리 산업에 대한 관심이 커지고 있다. 배터리 시장도 PFAS의 예외가 아니다. 리튬이온 배터리는 안정성을 충족하기 위해 플루로카본 화합물을 활용한다. 이처럼 PFAS는 배터리의 생산과 사용 후 배터리 재활용 과정에서 활용된다.

 

PFAS란?

과불화화합물은 탄화수소의 기본 골격 중 수소가 불소로 치환된 형태이다. 과불화(perfluoro)는 분자 내 사슬의 탄소 원자가 모두 불소 원자로 변한 것이다. 따라서 사슬 내 모든 C-H가 C-F로 치환된 화합물이다. 국내에서는 완전 불화된 탄소 사슬(fully fluorinated carbon chain), 즉 과불화된 알킬 사슬을 분자 구조 내에 갖는 물질을 과불화화합물(perfluorinated chemical)이라고 한다. 과불화화합물의 대표적인 예시가 PFAS(perfluoroalkyl sulfonates)이다.

[자료2. PFAS 가계도]

출처: State of Hawaii, Department of Health

과불화화합물은 자연적으로 잘 분해되지 않는 특징을 가져 체내에 축적될 가능성이 있다. 간독성 및 암 유발이나 갑상샘 질병 발생과 연관성을 보인 실험과 연구 결과가 있다. 이런 실험 결과에도 불구하고 PFAS는 물, 기름, 화학물질, 열 등에 반응하지 않고 원래 분자 구조를 유지한다. 따라서 우수한 방수성, 방유성, 내화학성, 내열성 등으로 모든 산업에서 활용된다.

 

배터리 생산과 PFAS

리튬이온 배터리에는 다양한 불소화 화합물을 포함한다. 리튬배터리에 들어가는 조성이 다양하므로 PFAS 방출 가능성이 있는 부분에 대해 명시하였다. 불소화 화합물은 리튬이온 배터리의 전극 바인더, 분리막, 전해질에 존재한다.

[자료3. 전극 바인더에 사용되는 PFAS 종류]

출처: UPPSALA  University 

전극의 양극과 음극은 전기 활성 재료 외에도 바인더를 포함한다. 바인더는 활물질과 도전재가 집전체에 잘 붙을 수 있도록 도와주는 첨가물질이다. 접착력이라는 특성이 있으며 지속적인 전기화학 접촉과 안정적인 구조를 제공한다. 음극(anode)에 사용되는 대표적 바인더는 PVDF이다. 양극(cathode)은 다양한 활물질을 내포한다. 활물질에 따라 배터리를 부르는 명칭이 변하며 보편적으로는 NCM과 LFP를 사용한다. 양극에서 사용하는 바인더는 PVDF, PVDF-HFP, PTFE, FEP이다. 바인더로 활용되는 물질들은 대부분 불소화되어 있다. 불소화된 바인더를 사용하면 산화에 대한 안정성을 보인다. 또한, 일부 전기화학반응을 억제하여 자가 방전하는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해 배터리는 에너지의 밀도를 높이고 긴 수명을 유지할 수 있다.

배터리에 두 전극을 분리하는 분리막이 존재한다. 분리막은 다공성이어야 하므로 섬유 구조 재료가 사용된다. 분리막의 재료는 폴리프로필렌(polypropylene)과 폴리에틸렌(polyethylene)이 자주 사용된다. PFAS에 포함되는 PVDF와 PVDF-HFP도 사용된다. 이는 다중 층(multi-layers)을 통해 성능을 향상하지만, 재활용의 복잡성을 유발한다.

[자료4. 전해질염과 전해질 첨가제로 사용되는 PFAS 종류]

출처: UPPSALA  University 

전해질은 이온을 수송한다. 전해질은 대부분 여러 용매에 염으로 구성되어 용액 형태로 존재한다. LiPF6는 높은 이온 전도도와 Al 집전체를 부동태화할 수 있어, 상업용 배터리에 사용되는 주요 전해질염이다. 전해질 첨가제는 SEI 형성, 전도성, 난연성, LIB 셀 내 가스 축적 감소 등 배터리 특성을 개선하는 데 중요하다. 전해질 첨가제로도 다양한 불소화 화합물이 사용된다. 이들은 계면 저항을 감소시키고, 가스 발생을 억제하여 리튬 이온 전달을 쉽게 한다.

 

배터리 재활용과 PFAS

[자료5. 리튬이온 배터리 재활용 과정에서 발생하는 불소화 물질]

출처: UPPSALA  University 

PFAS는 열에 의해 분해된다. 따라서 배터리 재활용 과정 중 고온을 사용하는 건식(pyrometallurgical) 공정은 PFAS를 분해할 수 있다. 하지만, 높은 온도에 따른 다량의 유해가스와 에너지 낭비라는 단점이 나타난다. 습식(Hydrometallurgical) 배터리 재활용 공정은 건식 공정 대비 낮은 온도로 공정을 운영한다. 낮은 온도는 PFAS의 불완전한 광물화 및 새로운 불소화 물질의 생산화를 유발한다.

[자료6. 실험에 대한 CIC 값 및 불소 mass balance]

출처: UPPSALA  University 

Uppsala 대학의 논문 “Per- and Polyfluoroalkyl Substance (PFAS) Emissions from Recycling Processes of Lithium-Ion Batteries”는 습식 리튬이온 배터리 재활용 공정에서 형성되는 시료를 분석했다. 실험 결과, 바인더 재료로 PVDF를 가장 많이 함유하는 것으로 알려진 양극(cathode)과 블랙매스(black mass)에서 가장 높은 불소화 함량이 확인되었다. 또한 CIC 분석에서 상당량의 유기 불소가 검출되었으므로 리튬이온 배터리 재활용 과정에서 PFAS의 배출이 발생한다고 볼 수 있다.

 

PFAS에 대한 세계적인 움직임

산업통상자원부는 2023년 9월 26일에 PFAS 전면 사용 제한에 대해 신중한 검토가 필요하다는 의견을 유럽화학물질청(ECHA) 와 세계무역지구(WTO) 측에 전달했다고 발표했다. 가장 큰 원인은 국내 산업계에서는 PFAS 기능을 대체할 물질을 당장 찾기 어려운 상황이기 때문이다. PFAS 사용을 전면 제한한다면 한국 제품의 생산과 수출에 차질을 빚을 수 있다. 정부는 규제 유예기간인 5~12년 이내에 대체물질 개발이 쉽지 않다는 점을 강조했다.

유럽화학물질청(CHA)은 3월 22일부터 6개월간 공개 협의를 진행하였다. 4,400개 이상의 조직, 기업이나 개인으로 구성된 이해관계자로부터 5,600개의 의견을 접수했다. 제출된 의견 중 PFAS 사용 제한을 면제해달라는 의견이 주를 이루었다. 또한, PFAS가 없으면 EU 그린딜 전략의 목표 중 일부를 달성할 수 없다는 의견도 나왔다.

PFAS가 몸에 해롭다는 것은 사실이다. 하지만 PFAS가 필요한 산업이 많다는 것 역시 사실이다. 따라서 PFAS 대체재에 대한 개발을 지속해서 진행하면서 유예기간을 늘려야 한다. 모호한 기준으로는 세계 경제와 환경에 악영향을 미칠 수 있다. PFAS 규제에 대한 명확한 기준 설정이 선행돼야 한다.

 

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1. "좀비 화학물질, PFAS에 대해 아시나요?", 21기 곽서영, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4061

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2. "정체성 잃은 이차전지, 안전한 운송을 위해서 어떻게 해야 하는가?", 23기 박하연,  https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4269

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참고문헌

[EU의 과불화화합물 규제]

1) 주벨기에대사관, 주벨기에 유럽연합 대한민국 대산관 겸 주북대서양조약기구 대한민국 대표부,  "EU집행위원회 ‘지속가능성을 위한 화학전략’ 발표", 2020.10.29, https://overseas.mofa.go.kr/be-ko/brd/m_7565/view.do?seq=1300302

2) 한국산업기술진흥원, "EU 과불화화합물 금지 결정이 자동차 산업에 미치는 영향", KIAT 산업기술 동향 워치, 2021-16호, page 8, 2021.09.

[PFAS란?]

1) 첨가물기준과, 식품의약품안전처, "과불화화합물에 대한 Q&A", 2017.03.23, https://www.mfds.go.kr/brd/m_228/view.do?seq=26586

2) 최은경 외,  "과불화합물의 규제 및 산업적 용도에 대한 화학구조적 고찰", 한국염색가공학회지, Vol. 28, No. 3, page 134-142 , 2016.08.

[배터리 생산과 PFAS]

1) Amanda Rensmo, " Per- and Polyfluoroalkyl Substance (PFAS) Emissions from Recycling Processes of Lithium-Ion Batteries",  Uppsala Universitet, page 12-16 , 2022. 06.

2) Amanda Rensmo etc., "Lithium-ion battery recycling: a source of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) to the environment?", Environmental Science Processes & Impacts, 023, 25, page 1017-1020, 2023.04.

[배터리 재활용과 PFAS]

1) Amanda Rensmo, " Per- and Polyfluoroalkyl Substance (PFAS) Emissions from Recycling Processes of Lithium-Ion Batteries",  Uppsala Universitet, page 18-47, 2022. 06.

2) Amanda Rensmo etc., "Lithium-ion battery recycling: a source of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) to the environment?", Environmental Science Processes & Impacts, 023, 25, page 1020-1024, 2023.04.

[PFAS에 대한 세계적인 움직임]

1) 연합뉴스, 한국무역협회, "EU 과불화화합물 전면 규제...정부, EU측에 우려·요구 전달", 2023.09.26, https://www.kita.net/cmmrcInfo/cmmrcNews/cmercNews/cmercNewsDetail.do;JSESSIONID_KITA=CE5BF08A1B66CC235901573E0DC13345.Hyper?pageIndex=1&nIndex=1836763&searchReqType=detail

2) KIST Europe, 한국무역협회, "ECHA, PFAS 제한에 관한 공개협의에서 5,600개 이상의 의견 접수", 2023.10.06, https://www.kita.net/cmmrcInfo/cmmrcNews/overseasMrktNews/overseasMrktNewsDetail.do;JSESSIONID_KITA=8C816EBF7DADC25C112E7DE3649E60BD.Hyper?pageIndex=1&type=0&nIndex=1836938