"자체 생산부터 재활용까지"..전기차 배터리에도 벤츠 DNA 입힌다

[슈투트가르트(독일)=이데일리 박민 기자] 명실공히 세계적인 명차로 꼽히는 독일의 ‘메르세데스-벤츠’가 전기차 제조를 넘어 배터리(2차전지)까지 내재화에 시동을 걸었다. 기존에는 배터리 제조사가 만든 배터리를 납품 받아 차량에 탑재했지만, 앞으론 배터리 연구개발에서 생산, 재활용까지 전 주기에 걸쳐 자체 역량을 확보해 ‘벤츠 DNA’를 입히겠다는 계획이다. 이를 위해 올해 7월부터 배터리 셀 연구개발(R&D) 및 시제품 생산에 착수했고, 다 쓴 폐배터리는 재활용을 위해 ‘배터리 재활용 공장’도 완성차 업계 최초로 지어 가동에 들어갔다. 한국 시장에서 전기차 배터리 화재로 한차례 곤욕을 치른 벤츠는 배터리 또한 ‘MADE IN Benz’로 선보여 전기차 시대에도 명차 영예를 지켜나가겠다는 목표다.

◇배터리 자체 개발 “30% 비용 절감”

벤츠는 지난 7월부터 독일 슈투트가르트 운터튀크르하임에 위치한 본사에서 전기차 배터리 셀 R&D센터 ‘e캠퍼스’를 건립해 운영을 하고 있다. 이곳은 배터리 개발의 시작점이라 할 수 있는 양극재와 음극재 등 구성요소 연구개발부터 화학적 구조물을 결합해 만든 배터리의 첫 번째 형태 ‘셀’까지 직접 생산하는 곳이다. 특히 배터리 셀 생산 과정은 배터리 품질에도 큰 영향을 미치는 만큼 전극 생산과 셀 조립, 전해질 충전, 초기 충전·방전까지 이르기까지 셀 제조과정 전반에 걸쳐 자체 역량을 쌓겠다는 계획이다.

또한 실리콘 음극재를 사용하는 리튬 이온 셀을 비롯해 희귀광물인 코발트의 함량을 대폭 낮춘 ‘코발트 프리(NMX) 양극재’, ‘꿈의 배터리’라 불리는 전고체 배터리 등 차세대 배터리 기술도 연구한다. 전고체 배터리는 화재로부터 안전하고 1회 충전 시 주행 가능 거리도 획기적으로 개선할 수 있어 배터리 시장의 ‘게임체인저’로 꼽힌다. 벤츠는 이러한 차세대 배터리 연구개발을 통해 배터리의 에너지 밀도를 업계 최고 수준인 900Wh/L까지 끌어올린다는 계획이다.

독일 슈투트가르트 운터튀르크하임 지역에 있는 메르세데스 벤츠의 ‘e캠퍼스’에서 연구원들이 전극 생산의 첫 번째 단계인 ‘슬러리’를 생산하고 있다.(사진=벤츠 코리아 제공)

독일 슈투트가르트 운터튀르크하임 지역에 있는 메르세데스 벤츠의 ‘e캠퍼스’에서 연구원들이 전극 생산의 세 번째 단계인 ‘캘린더링’을 진행하고 있다. (사진=벤츠 코리아 제공)

현재 이곳 e캠퍼스의 셀 생산 역량은 1년에 수만 개 남짓이지만 대규모 산업 생산을 위한 공정도 개발하고 배터리 램프업 공장도 추가로 지어 가동할 계획이다. 벤츠는 e캠퍼스를 통해 벤츠 DNA를 갖춘 셀을 만들고, 전기차 배터리 상당 부분을 자체 조달해 수년 내에 배터리 생산 비용을 30% 넘게 절감할 계획이다. 벤츠 배터리 개발 책임자인 우베 켈러 박사는 “벤츠만의 고유한 고성능 배터리 셀을 개발하고, 이 연구결과는 파트너사(배터리 제조사)의 배터리 셀 대량 양산에 반영될 것”이라고 말했다.

독일 슈투트가르트 운터튀르크하임 지역에 있는 메르세데스 벤츠의 ‘e캠퍼스’에서 연구개발을 통해 완성된 셀들이 컨베이어벨트를 통해 옮겨지고 있다.(사진=벤츠 코리아 제공)

◇폐배터리에서 96% 이상 자원 회수

벤츠는 배터리 생산을 넘어 다 쓴 폐배터리를 재활용하는 분야에서도 자체 역량을 확보해 배터리 전 주기에 있어 ‘순환 경제’를 구축하겠다는 목표다. 폐배터리 재활용 체계를 구축하면 배터리 핵심 광물을 안정적으로 확보하고, 제조 원가 경쟁력을 높일 수 있는 장점도 있다. 이를 위해 21일(현지시간) 독일 바덴뷔르템베르크주 쿠펜하임에서 유럽 최초로 ‘기계식·습식 야금’ 통합 공정을 구축한 배터리 재활용 공장을 개소하고 본격 가동에 들었다. 완성차 업계에서도 배터리 재활용 공장을 직접 지어 운영하는 벤츠가 처음이다.

이곳 공장에서는 네모난 모듈 형태의 폐배터리를 컨베이어 벨트에 올려놓는 순간부터 공정이 시작된다. 컨베이어를 타고 파쇄기로 들어간 폐배터리는 잘게 부숴 1차적으로 플라스틱, 구리, 알루미늄을 걸러내고, 전자기적 분리 과정으로 철도 분리한다. 이후 진공 드라이와 2차 분쇄를 통해 세척 과정을 거치면 광물 추출전 중간단계인 검은색 고운 가루가 나온다. 바로 블랙매스‘(black mass)다.

메르세데스-벤츠가 독일 남서부 바덴뷔르템베르크주 쿠펜하임에서 ‘배터리 재활용 공장’을 건립하고 본격적인 가동에 들어갔다.(사진=벤츠 코리아)

이러한 블랙매스에 물과 황산, 암모니아, 과산화수소를 첨가하면서 코발트, 망간, 니켈, 리튬 등 배터리를 처음 만들 때 사용한 희소금속을 추출하게 된다. 폐배터리 파쇄부터 금속추출까지 걸리는 기간은 약 4일로, 이 같은 습식 자동화를 통한 희소금속 회수율은 96%에 달한다. 업계에서는 니켈·코발트 회수율은 95% 이상, 리튬 회수율은 80~85% 이상이 돼야 재활용 시설의 손익분기점을 맞출 수 있다고 보고 있다.

마누엘 미헬 배터리 재활용 총괄은 “기존 방식과 습식 공정의 가장 큰 차이점은 희소금속 회수율”이라며 “코발트, 니켈, 구리만 추출했던 기존 공정과 달리 습식 공정을 통해 리튬이나 알루미늄 등도 뽑아낼 수 있어 효율적일 뿐 아니라 탄소 배출량도 적어 친환경적”이라고 설명했다.

벤츠는 이곳에서 연간 2500톤(t)의 폐배터리를 처리해 벤츠 전기차에 넣을 5만 개 넘는 배터리 모듈을 만들 양의 희소금속을 거둬들일 것으로 기대하고 있다. 차량 1대에 10개의 배터리 모듈이 들어가는 것을 고려하면 해마다 전기차 5000대를 생산할 수 있는 규모다. 벤츠는 2025년 중반까지 쿠펜하임 공장을 임시 가동하면서 향후 폐배터리 발생량에 따라 재활용 공장 증설을 검토해 나갈 계획이다.

메르세데스-벤츠가 독일 남서부 바덴뷔르템베르크주 쿠펜하임에서 ‘배터리 재활용 공장’을 건립하고 본격적인 가동에 들어갔다.(사진=벤츠 코리아)