일차전지 이차전지의 핵심 리튬에 대한 정보를 알아보자.

리튬이란?

리튬은 원자번호 3번을 가진 금속 원소로, 주기율표 제1족에 속하는 알칼리 금속인데요, 원자량은 6.941이며, 녹는점은 180.54℃, 끓는점은 1347℃, 비중은 0.534로 가장 가벼운 금속 원소 중 하나입니다. 상온에서 고체 상태를 유지하며, 물과 접촉 시 폭발적으로 반응하는 특성을 지니고 있습니다.

리튬의 이름은 그리스어로 '돌'을 의미하는 'Lithos'에서 유래되었는데요, 1817년, 스웨덴의 화학자이자 광산업자였던 요한 아우구스트 아르프베드손이 페탈라이트(엽장석)를 분석하던 중 이 새로운 원소를 발견했다고 전해지고 있습니다. 불꽃반응을 통해 리튬의 존재가 명확해졌으며, 리튬의 불꽃색은 짙은 빨간색을 띱니다.

다른 알칼리 금속과 마찬가지로 리튬은 가정용 칼로도 쉽게 잘릴 정도로 무르고, 공기와 물, 심지어 공기 중의 수분과도 잘 반응합니다. 금속 리튬은 공기와 반응하기 때문에 석유에 담가서 보관하거나, 끈적한 바셀린 또는 아르곤 같은 비활성 기체 속에 보관하기도 하는데요, 이러한 이유로 리튬 배터리를 삼키면 몸 안에서 물과 반응해 고열을 발생시켜 매우 위험할 수 있습니다.

리튬은 무게 대비 전기 전도성이 가장 높은 원소이지만, 가격이 비싸고 반응성이 높아 전선 재료로는 사용되지 않습니다. 또한 리튬으로 만든 불꽃은 액체 질소로 끌 수 없습니다. 리튬이 질소와 격렬히 반응하여 질화 리튬을 만들기 때문인데요, 리튬은 항성의 핵융합 과정에서 소모되기 때문에 갈색왜성과 적색왜성을 구분하는 기준이 되기도 합니다. 하지만 태양과 같은 더 큰 항성에서는 복사층이 있어 핵과 외부층이 구분되므로 핵융합 반응이 일어남에도 리튬이 검출될 수 있습니다.

리튬의 매장량과 산출국

지각에서 리튬이 차지하는 비율은 약 0.0017%로, 이는 아연, 구리, 텅스텐, 코발트보다는 적지만 주석과 납보다는 조금 더 많은 양입니다. 리튬의 주요 생산국으로는 미국, 칠레, 호주, 캐나다, 중국 등이 있으며, 특히 볼리비아의 우유니 사막에는 540만 톤의 리튬이 매장되어 있어 한때 전 세계의 주목을 받았었습니다. 또한, 체코에서는 2017년에 유럽 최대의 리튬 광산이 폐광 지역인 치노벡에서 발견되어, 체코가 세계 5위의 리튬 생산국이 될 전망이라도 고 보고 하였습니다.

2020년에는 지표상에 매장된 리튬이 고갈될 것이라는 우려가 있었지만, 리튬은 이론상 무한정 재사용이 가능한 장점이 있고, 수요의 확대에 따라 계속해서 새로운 채굴장이 개발되고 있어 이러한 우려는 석유 고갈과 같은 수준으로 취급되고 있습니다. 문제는 리튬 광산의 개발 속도가 전기자동차의 급증하는 수요를 따라가지 못한다는 점인데요, 현재 리튬 생산량 중 약 20%는 이차전지의 재료인 수산화리튬으로 사용되며, 이차전지 수요가 갈수록 증가하는 현실에서 리튬을 대체할 신소재 개발이 시급한 상황임을 알 수 있습니다.

이에 따라, 같은 족인 나트륨을 이용한 전지를 개발하려는 시도가 이루어지고 있는데요, 해수에서 리튬을 추출하는 연구도 진행 중이며, 바닷물에는 1리터당 약 0.17mg의 리튬이 녹아 있는 것을 확인했습니다. 나트륨 이온 전지는 2023년부터 중국에서 대량 생산이 시작되어 상용 판매되고 있지만, 해수에서 리튬을 추출하는 기술은 아직 연구개발 단계에 있습니다.

2020년에는 포스코가 찜해둔 아르헨티나의 한 호수에서 자동차 3.7억 대분의 리튬 배터리를 만들 수 있는 양의 리튬이 발견되었습니다. 이는 국제적으로 주목받는 소식이었으며, 리튬의 공급 안정성에 긍정적인 영향을 미쳤습니다. 2023년에는 국내에서도 리튬 매장이 확인된 광산이 6곳 발견되었으며, 가장 유력한 것은 울진이라고 합니다. 이들 광산에서의 매장량은 시추 후에 확인할 수 있을 것으로 보입니다.

2020년 같은 해 인도에서는 매장량이 590만 톤으로 추정되는 리튬이 발견되었습니다. 이는 인도에서 처음으로 확인된 큰 규모의 리튬 매장으로, 세계에서 두 번째로 큰 규모에 해당되는데요, 또한 2023년 3월에는 이란에서도 세계 2위 규모의 리튬 광산이 발견되었다고 보도되었습니다. 그러나 이란은 미국, EU 등 서방의 제재를 받고 있어 리튬을 중국이나 러시아 등에 팔아 경제적으로 이득을 취할 가능성이 높습니다.

마지막으로, 2023년 9월에는 미국 네바다-오리건주 접경지역에서 약 4,000만 톤에 달하는 리튬이 매장되어 있다고 보도되었습니다. 이 지역은 맥더미트 칼데라로 알려진 대형 분화구로, 약 1,600만 년 전에 형성되었습니다. 이 지역의 리튬 매장량은 볼리비아 염전 아래에서 발견된 것보다 훨씬 크다고 추정되는데 추출하는 방법이 관건이라고 할 수 있습니다.

리튬 생산 방식은?

1. HardRock 방식

HardRock 방식은 전통적인 광물 채굴 방식으로, 묻혀 있는 광석을 추출하고 처리하여 리튬을 생산하는 방법인데요, 먼저, 땅을 파서 광석을 추출한 후 이를 부수고 운반합니다. 이 과정에서는 리튬 함량이 높은 광석만을 선택하여 정련 과정을 거칩니다. 정련은 리튬이 들어있는 암석을 순수한 리튬으로 분리하는 과정을 말합니다. 이후에는 제련 과정을 거쳐 순수한 리튬을 생산합니다.

HardRock 방식의 특징은 초기 투자 비용이 비교적 낮으며, 생산 기간이 약 2주로 짧다는 점입니다. 그러나 광석을 운반하고 부수는 과정에서 발생하는 비용이 높아 생산 비용 자체는 상대적으로 높은 편이라 할 수 있습니다. 또한, 운반 후 광석을 가루로 내서 화학적 작용을 거쳐 정제련 과정을 진행해야 하므로 설비가 복잡하고 여기서 고급 기술을 요구할 수 있습니다. 이러한 점에서 제철소의 복잡한 설비와 유사하다고 비유할 수 있습니다.

2. Brine(브라인) 방식

Brine(브라인) 방식은 리튬을 생산하기 위해 염호(염수 호수)의 물을 활용하는 방법입니다. 먼저, 넓은 지역에 염수를 끌어올려 가두고, 자연적으로 태양열에 의해 증발시킵니다. 이 과정에서 염수가 증발하면서 리튬 농도가 높아지게 되며, 이를 가공하여 리튬을 얻습니다.

Brine 방식의 특징은 초기 투자 비용이 높다는 점입니다. 넓은 수영장과 같은 염호를 만들어야 하기 때문에 큰 토지와 설비 투자가 필요합니다. 또한, 생산 기간이 상대적으로 길어 약 1년 정도가 소요된다는 점도 특징입니다. 염수가 태양열에 의해 천천히 증발되어 리튬을 농축시키는 과정은 염전과 유사하죠

그러나 생산 비용은 다른 방식에 비해 비교적 낮다고 평가됩니다. 염호에서 증발된 염수에서 리튬을 추출하기 위해서는 강한 화학물질을 사용하고 플랜트를 운영해야 하지만, 이는 생산 과정의 일환으로 고려되고 있고, 염호 방식은 물에 녹아있는 상태에서 리튬을 추출하는 점에서 환경 관리와 폐수 처리 비용이 높을 수 있습니다. 이러한 이유로 염전과 같은 방식으로 생산하는 것이 보다 경제적이라고 알려져 있습니다.

리튬의 용도는?

리튬 이온 배터리는 1990년대 후반부터 전자기기의 경량화와 대용량화 요구에 따라 등장한 전지입니다. 기존의 니카드 전지나 니켈 금속수소 전지보다 가볍고 대용량이며, 현재 거의 모든 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있습니다. 그러나 리튬 이온 전지는 안전성에 대한 우려가 크게 증가하고 있습니다. 특히 2008년 이후 몇 차례의 발화사고가 발생하여 리튬 이온 전지의 안전 기준이 더욱 까다로워지고 있고 항공기를 포함한 여러 전자기기에서 리튬 이온 전지를 사용할 때의 안전성 요구가 점점 더 강화되고 있는 추세입니다. 많은 국가들이 보호회로가 없는 리튬 이온 전지의 일반 판매를 법적으로 금지하고 있으며, 이는 발화 및 안전 문제를 예방하기 위한 조치라고 할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리의 안전성 문제 중 하나로는 리튬산화금속 전극의 합성 과정에서 코발트 사용 시 고온에 약해 발화 가능성이 높아진다는 점이 있는데요, 이 문제를 해결하기 위해 망가니즈 등 다른 구조로 치환하여 안정성을 개선하는 연구가 진행되고 있습니다. 리튬은 급성장하기 이전에도 다양한 산업에서 활용되었습니다. 유리 산업에서는 주로 플럭스 용제로 사용되었는데, 이는 실리카 성분을 녹여 유리나 도자기를 만들 때 융해점을 낮추고 점도를 낮추는 역할을 합니다. 특히 탄산 리튬을 첨가하여 유리의 품질을 향상하는 데 중요한 역할을 했습니다.

또한, 리튬은 알루미늄 합금의 중요한 구성 요소로서도 사용됩니다. 알루미늄과 리튬의 합금인 Al-Li 합금은 기존의 두랄루민을 대체할 수 있는 우수한 재료로 각광받고 있죠 이 합금은 약 2% 정도의 리튬을 함유하며, 기존의 알루미늄 합금보다 10% 정도 더 가벼우면서도 금속피로로 인한 크랙 발생과 확산이 적어 수명이 길어지는 장점이 있습니다. 특히 Al-Li 합금은 여객기의 경량화에 크게 기여하였습니다. 예를 들어, 에어버스 A220의 동체 재료로 사용되어 중량비를 약 24% 정도로 줄여 기체의 경량화를 실현하였습니다. 이는 연료 효율성을 높이고 비용을 절감하는 데 기여하는 중요한 요소가 되었습니다.

삼중수소(삼중수소수)는 수소 원자 세 개가 결합한 분자로, 핵폭탄 제조 과정에서 직접 사용되지 않는 이유는 여러 가지가 있습니다. 첫째, 삼중수소를 공업적으로 충분히 생산하기 어렵고 비용이 매우 높습니다. 둘째, 삼중수소는 반감기가 짧아서 저장이 어렵고, 고체인 리튬과는 달리 기체나 액체 형태로 존재하기 때문에 보관과 사용이 매우 어렵습니다. 따라서 수소폭탄에서는 고체 리튬을 사용하고, 이를 삼중수소로 핵변환하여 활용합니다. 특히 수소폭탄에서는 리튬의 동위원소 중 변환비율이 높은 6Li를 사용합니다. 자연 상태에서 6Li는 매우 희귀하여 자연에서는 약 5% 정도만 존재합니다. 이를 농축하여 변환비율을 높이는 과정이 필요하며, 이 고농축 6Li는 핵개발에서 중요한 재료로 간주됩니다.

수소폭탄의 초기 개발 단계에서는 자연 상태의 리튬 동위원소인 7Li의 삼중수소로 변환비율에 대한 충분한 자료가 없었기 때문에 예상보다 훨씬 많은 삼중수소가 생성되어 폭발력이 예상을 초과하는 사례가 발생했습니다. 이로 인해 캐슬 작전과 브라보 실험에서는 예상보다 큰 폭발력을 발생시켜 근해의 민간인들에게 피해가 발생할 수 있었습니다.

항상 밝은 마음으로