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2024년 12월 19일 (목) 05:10 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 자원순환 및 화재 예방을 위한 폐배터리 분류 시스템 설계

영문 : Design of a waste battery sorting system for resource circulation and fire prevention

과제 팀명

폐배터리나한테조

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 장*아(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 박*휘

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 황*태

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 김*민

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 전기차 시장의 규모가 확대됨에 따라 전기차 수요와 더불어 폐배터리의 양도 기하급수적으로 증가하고 있다. 정부와 지자체에서는 전기 자동차 폐배터리 수거를 법적으로 규제하고 있기에 수거와 처리 과정이 순조롭게 이루어지고 있다. 하지만 일상생활에서 흔히 사용하는 전자담배, 휴대폰 보조배터리 등 소형 배터리들은 폐기 과정에 있어 정확한 법적 규제가 확립되어 있지 않다. 게다가 일반 시민들의 폐배터리 재활용에 대한 인식도 미비한 실정이다. 이에 따라 폐건전지함에 수거되어야 하는 대부분의 소형 배터리들이 일반 쓰레기로 버려지고 있다. 이러한 상황을 개선하고자 본 프로젝트에서는 해외에서 시행한 배터리 여권 제도 도입을 검토해 보고, 배터리 수거 과정에서 전자 코드 리더기와 분리 공정을 통해 폐배터리의 수거율을 높이고자 한다.
현재 일반쓰레기로 무분별하게 버려지고 있는 폐배터리들이 있으며, 이는 환경오염을 야기시킬 뿐 아니라, 수거 및 선별 과정에서의 화재 발생 가능성을 높이고 있다. 일반 시민들의 폐배터리 재활용에 대한 인식도 미비한 실정이기에 앞으로 올바른 재활용이 이루어질지가 확실하지 않은 상황이다. 또한 휴대용 선풍기, 보조배터리, 전자담배 등 소형 배터리들은 폐기과정에 있어 정확한 법적 규제가 확립되어있지 않다.
본 설계를 통해 일반쓰레기 내 폐배터리 수선별 과정에서의 인력난을 감소하고, 화재 감소를 위해 새로운 폐배터리 선별 공정을 시스템을 제안하고자 한다. 이를 위해 컨베이어 벨트 위에 전자코드 리더기를 설치하고, RFID가 부착된 배터리를 인식함과 더불어 폐배터리 수거함으로 이동시키는 설계 시스템을 도입하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

전기차 폐배터리는 재활용 의무화 관련 법안으로 대기환경 보존법, 수도권 대기환경개선에 관한 특별법이 존재한다. 다만, 소형 IT 기기용 배터리의 경우 재활용 의무 법안이 부재한 상황이다. 그로 인해 폐건전지와 휴대폰 보조배터리 등 소형 배터리들은 폐건전지함에 수거되어야 하나 일반 쓰레기로 취급되는 경우가 부지기수이다. 폐건전지의 경우 2021년에 29.5%가 재활용으로 버려졌다고 한다. 그 말은 열 개 중 일곱 개는 일반 쓰레기로 버려진다고 말할 수 있다. 일반 쓰레기로 버려진 폐건전지와 보조배터리는 파쇄, 보관하는 단계를 거치게 되는데, 이때 빗물이 스며들거나 마찰에 의해 화학 반응이 발생한다. 이것이 화재의 주된 원인이 되곤 한다. 소방 당국에서 추정한 바에 따르면 이러한 폐건전지 폐기로 1년에 100건이 넘는 화재가 발생한다고 하며, 그 피해 규모는 100억 원 이상이라고 한다.
해외에는 폐배터리에 관한 규정이 만들어지는 추세이다. 2023년 6월, 「EU 배터리 및 폐배터리 규정」이 유럽의회에 통과되었다. 이 중 주의 깊게 본 것은 배터리 여권(Digital Battery Passport)이다. 배터리 여권은 개별 배터리 성능, 성분 정보 등을 담은 전자식 기록이다. QR 코드로 접속하게 되며, QR 코드를 입력하면 해당 배터리의 경제 운영자 고유의 식별 코드와 연동된다. 배터리 여권은 공급 및 가치 사슬의 모든 이해 관계자가 배터리에 대한 정보와 이력을 공유하여 안전성을 극대화하고, 수명 주기 동안 배터리 사용을 최적화하며 수명이 다한 시점에서 책임 있는 재활용이 보장될 수 있도록 하는 기술 플랫폼이다. 특히 배터리 광물, 배터리 팩 및 핵심 구성품(모듈, 셀)은 IoT가 가능하므로 분산 원장 또는 블록체인을 통해, 자격을 갖춘 이해관계자 간 데이터 공유가 가능하다.
EU의 배터리 여권제도 도입 확실과 더불어 대한민국의 폐배터리 순환 경제 활성화도 멀지 않았다. 이에 앞서, 자원순환을 위하여 폐기된 배터리를 일반 쓰레기에서 분류하고, 알칼라인 건전지류의 크기별 분류를 하고자 한다. 또한 리튬 배터리의 경우, 생산 과정에서부터 폐기 과정에 이르기까지 구분해 낼 수 있는 매개체를 고려하고자 하였다.

◇ 폐배터리 배출 및 처리 현황

배터리의 탈부착이 가능한 기기의 경우 배터리를 분리하여 폐배터리함으로 배출하면 된다. 탈부착이 불가능한 보 조배터리, 무선 선풍기와 같은 소형의 배터리 일체형 전자기기는 분리 과정 없이 폐배터리함에 배출해야 한다. 배터 리에 이상이 있는 경우에는 랩으로 감아 산소나 수분 침투가 이루어지지 않도록 해야 한다. 전선이 부착되어 있는 경우에는 임의로 제거하려 하지 말고 단자에 절연테이프를 감싸 배출해야 한다. 각 지자체에서 전지별로 1차 선별 을 거친 후에 재활용업체로 입고된다. 재활용업체로 입고된 폐건전지는 재활용업체에서 전지 종류별로 최종 선별한 다. 건전지의 종류별로 재활용 공정 및 업체가 다르므로 처리 가능한 전지 외의 것들 것 처리가 가능한 재활용업체 로 운반된다. 폐배터리는 건식, 습식, 소각, 용융 등 재활용 처리가 진행된다. 폐배터리함에 사용한 배터리를 폐기하 는 것 이외의 잘못된 방법을 통해 배출되는 경우가 존재한다. 폐배터리를 일반쓰레기로 배출하거나 일체형 전자기 기의 경우 겉모습을 보고 혼동하여 재활용품 플라스틱류로 배출하는 것이다.

◇ 전자태그 리더기를 설치하는 방법 고안

▷ 폐기물 수거 트럭(암롤트럭, 5톤 압축·압착진개차)에 설치 암롤트럭은 폐기물을 적재할 수 있는 ‘암롤박스(Arm-roll Box)’를 트럭에 싣고 다니거나, 분리할 수 있는 구조로 제 작됐다. 주로 암롤박스를 다량의 쓰레기 배출되는 장소에 내려놓았다가 충분히 적재되면 실어 나르는 방식으로 운 행된다. 압축진개차는 내용물을 눌러 부피를 줄이는 형태이며 압착형진개차는 압력을 가하여 밀도를 높이는 형태이 다. 후부 쪽을 보면 압착진개차에는 회전판이, 압축진개차에는 유압실린더가 달려 있다. 압축진개차는 유압실린더를 사용한다. 유압실린더의 힘으로 내용물을 강하게 눌러 폐기물의 부피를 줄여주며 운행된다. 압착진개차는 파커에 회 전판이 달려 있다. 모터, 체인을 이용하여 회전하면서 내용물을 압착시켜 안쪽으로 밀어 넣어 주며 운행된다. 리더 기로 읽은 폐배터리 포함 폐기물을 보관해야 한다. 그러기 위해서는 트럭에 공간을 따로 분리하여 제작하거나 트럭 에 개폐장치를 다는 등 트럭 및 박스 개조 공정이 필요하다. 이는 효율성과 경제성에서 큰 우위를 점하지 못할 것 으로 파악된다.

▷ 전처리 공정에 설치

서울특별시의 자원회수시설은 4곳으로 강남, 노원, 마포, 양천에 각각 자리잡고 있다. 각 자원회수시설의 처리 공정은 비슷한 형태를 가진다. 공정 순서대로 반입공급설비. 소각설비, 연소가스냉각설비, 연소가스처리설비, 재반출설비의 형태로 구성되어 있다. 특별한 점은 마포 자원회수시설에만 소각 전 자력 선별을 통한 연료화 설비가 있는 것을 확인할 수 있다.

반입공급설비에는 수거차량에 의해 운반된 생활폐기물은 계근대(무게 측정)를 통과하여 반입량을 확인하고, 반입장으로 들어가게 된다. 반입장에서는 감시원이 상주하며, 반입된 폐기물에 대한 성상검사를 실시한다. 태워도 되는 생활폐기물만 지정된 투입문을 통하여 쓰레기 피트에 넣게 되며, 태워서는 안 되는 폐기물은 반출시키도록 하고 있다. 쓰레기 피트에는 최소 3일 동안 소각할 수 있는 쓰레기를 저장할 수 있다. 폐기물이 잘 탈 수 있도록 쓰레기 크레인으로 교반작업을 하고 크레인으로 소각로 상부에 투입하여 소각하게 된다. 폐기물 수거 트럭에서 전자태그를 읽는 것에 비하여 노동력, 효율성에서 장점을 가지고 있다고 판단하게 되었다. 따라서 자원회수시설에 설치하도록 결정하였다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 목표

폐배터리 파쇄, 매립, 소각 과정을 거치기 이전 선별 공정을 통해 더 높은 선별 효율을 끌어낼 수 있으며, 처리 과정에서 발생하는 화재 위험성 또한 낮출 수 있다. 폐배터리 및 기타 폐기물이 혼합되어 있는 공간에 전자 코드를 활용해 폐배터리의 인식률을 계산할 수 있다. 이를 바탕으로 폐배터리 수거 과정에서의 선별 정확도를 높일 수 있다. 수거 과정을 거친 후 파쇄, 매립, 소각 공정에 돌입하기 전, 자성 및 크기 선별을 통해 폐배터리를 선별해 낼 수 있다. 또한 폐배터리의 무분별한 매각 및 토양 침투 과정에서 일어날 수 있는 지하수 오염과 더불어 중금속 물질의 배출을 예방해 환경오염 문제에 대응할 수 있다. 따라서 본 프로젝트는 배터리 처리 효율을 높여 소각 또는 매립 시 배출되는 오염 물질을 저감하고, 재사용 및 재활용을 통한 자원순환사회를 형성하는 것을 목표로 한다.

◇ 내용

▷ 배터리 종류

전지는 1차 전지, 2차 전지로 나눌 수 있다. 일차 전지는 재사용이 불가능한 점과 반대로 이차 전지는 충전 및 방전을 통해 반영구적으로 사용할 수 있는 전지이다. 이차전지의 최초의 개발은 19세기 말 납축전지의 형태이다. 여기서 나아가 니켈계 전지, 리튬이온전지로 발전되어왔다. 과거에는 자동차 비상 전원의 공급인 보조 역할이었지만, 현재는 휴대폰, 전기차의 빠질 수 없는 부품이 되어 핵심 역할을 하고 있다.

배터리에는 가정에서 가장 많이 사용하는 망간/알칼리, 니켈-카드뮴, 니켈수소, 리튬 1차, 산화은, 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철, 납축전지, 공기 아연 전지, 수은전지 등 다양한 품명이 존재한다. 건전지의 크기가 동일하여도 전지 종류 다르므로 별도의 분류를 요구한다.

▷ 배터리 특성

요즘 주목받는 전기차나 전기설비, 전자기기에 사용되는 배터리는 리튬이온 방식을 채택한 것이 대부분이다. 리튬은 에너지 밀도가 150~220 Wh/kg로 높으며 수명이 길어 전자기기의 성능에 도움을 준다. 리튬이온 배터리의 구성요소는 4가지이다. 양극과 음극, 그리고 분리막, 전해액이다. 분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하는 역할을 하며, 전해액은 이온이 원활히 이동할 수 있는 매개체이다. 리튬 이온을 음극으로 이동시키는 방식으로 충전되며, 방전되면서 다시 양극으로 복귀하게끔 설계하여, 충전과 방전 상태가 오가게 된다. 이 중 리튬 이온이 음극으로 이동하는 충전 과정, 특히 완전히 충전되었을 때 화학적으로 불안정하게 된다. 이 상태에서 화재로 연결되는 경우가 가장 많다고 한다. 또 다른 화재의 원인으로는 열 폭주 현상이 있다. 열 폭주란 배터리 내부 상승으로 인해 폭발하는 현상이다. 열 폭주의 원인으로는 외부 가열 및 충격, 과충전 또는 방전 등이 있다고 한다. 열 폭주 현상이 위험한 이유는 크게 두 가지가 있다. 첫째로는 화재 진압을 어렵게 한다. 화재 후 배터리 셀에 열이 가해지면 온도가 급격히 기하적으로 상승하며, 안정성을 잃게 된다. 그 결과 열에너지, 화학 에너지가 방출되며 진압을 어렵게 하는 요인이 되고 있다. 둘째로 불산 가스를 방출하기 때문이다. 불화수소가 금속과 접촉하면 수소가 발생해 화재의 규모가 더 커지게 된다. 그 결과 인적, 환경적 피해가 발생한다.

▷ 배터리 소각·매립 시 발생하는 문제점

폐배터리는 토양에 침투하여 지하수를 오염시킬 수 있는 중금속과 기타 화학물질이 포함되어 있다. 폐배터리가 매립지에서 분해되거나 소각되면 중금속과 오염 물질을 포함한 독성 가스를 방출한다. 이러한 배출물은 토양, 수질, 대기 오염을 유발하는 원인이 될 가능성이 있다.

▷ 개발 과제의 기대효과

폐배터리의 수거 회수율을 증가시킬 수 있다. 새롭게 생산되어 전자태그를 부착한 보조 배터리의 경우 100%에 가까운 회수율을 기대할 수 있다. 이렇게 회수된 폐배터리들을 재활용하거나 재사용함으로써 자원순환사회를 형성할 수 있다. 나아가 현재 수입에 의존하고 있는 희소금속인 리튬을 보다 오래 사용할 수 있다는 장점이 있다. 폐건전지의 경우, 파쇄하거나 매립, 소각하기 전에 선별 공정을 통해 이전보다 더 높은 선별 효율을 끌어낼 수 있다. 이 경우에도 폐건전지의 재활용을 통한 가치 상승을 기대할 수 있다. 종합적으로 이 모든 공정을 통해 폐배터리의 폐기 과정에서 발생하는 화재를 예방할 수 있어 폐기물 처리 공정의 안전성을 확보할 수 있다. 또한 폐배터리의 소각, 매립으로 발생하는 환경오염을 방지하는 효과 역시 기대할 수 있다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 에이트테크의 에이트론

재활용 선별에서 파봉 후 가장 첫 번째 부분인 수선별을 대체할 수 있는 로봇이다. 수선별의 인력난, 낮은 선별 정확도 및 속도, 짧은 작업 가능 시간 등을 보완할 수 있다. 폐기물 처리율의 증가는 탄소발자국 저감에 기여한다. 에이트론은 총 5가지의 파트로 구성되어 있다. 비전으로 폐기물의 개체를 탐지하고 데이터를 수집하는 인식부, 폐기물의 종류와 특징을 분석하여 전환부로 보내는 분석부, 데이터를 변환 후 로봇에게 개체의 종류와 위치를 보내는 전환부, 해당 좌표에 가서 피킹을 하고 선별작업을 진행하는 선별부, 관리자가 작업의 진행 상황을 모니터링 하는 감시부로 구성된다. 주문 시 컨베이어 벨트의 크기, 작업장 구조 등 공장별 맞춤 제작이 가능하며 선별 품목의 우선순위도 결정할 수 있다. 

◇ 인공지능 폐기물 선별로봇 Dr.B

Dr.B 델타로봇은 인공지능을 기반으로 하여 선별 대상물 규격이 300mm 이하면 빠른 속도로 선별 가능하다. 딥러닝을 통해 다층 신경망(MNN)과 AI 비전 시스템을 활용해 다양한 재질을 분류할 수 있으며, 현재는 60여 가지의 재질을 분류할 수 있다. 분당 최대 90개까지 작업 가능하다. Dr.B는 비전 시스템에서 수집한 2D 영상정보를 AutoML 기반의 딥러닝 기술을 사용하여, 인간의 학습 방법과 유사하게 사물의 정보를 획득하고 판단하는 인공지능 인식시스템을 채택한다. 또한 딥러닝 신경망을 통해 영상 이미지를 빠르게 처리하여 재료 및 용도별 품목을 인식하고, 딥러닝 신경망은 인간의 두뇌와 거의 같은 방식으로 문제를 해결한다. 

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

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상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용