우리 생활에 꼭 필요한 세계적으로 주목 받는 희귀한 금속 리튬

세계를 뒤흔들고 있는 리튬에 대한 신문기사를 읽었는데요, 최근 테슬라가 리튬 생산 업체를 인수하면서 더욱 주목을 받고 있는 리튬은  다양한 산업 분야에서 활용되며 우리 생활에도 꼭 필요한 금속입니다. 기존의 배터리에서부터 의료 분야, 항공우주 산업 그리고 농업 등 다양한 분야에서 사용되는 리튬에 대해 알아보고, 우리 생활에 어떻게 사용되고 있는지에 대해 알아보려고 합니다. 

 

희귀한 금속 리튬

 

리튬은 알칼리금속 중 하나로 가장 가벼운 금속 중 하나로 전기전도성과 열전도성이 높아서 전지나 배터리 등의 에너지 저장 장치에서 주로 사용됩니다.

 

리튬은 이온과정에서 매우 중요한 역할을 하는데요, 리튬이 이온전지에서 양극에서 사용되기 때문입니다. 이온전지는 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하고, 필요할 때 전기 에너지로 변환하는 기술입니다. 이온전지 중에서 리튬이 가장 많이 사용되는데, 이는 리튬의 가벼운 원자 무게와 작은 이온 크기로 인해, 리튬 이온전지가 다른 이온전지에 비해 높은 에너지 밀도를 가지기 때문입니다.

 

이러한 특성으로 인해 리튬 이온전지는 모바일 기기, 전기차, 태양광 저장 시스템 등에 널리 사용되고 있습니다. 따라서 리튬은 이온과정에서 중요한 역할을 하며, 현대 산업에서 이온전지 분야에서 빠질 수 없는 비상금속 중 하나입니다.

 

비상금속이란
금속 중에서 국가 안보와 경제적 안정에 중요한 역할을 하는 금속으로 대개 고부가가치 산업에서 사용되며, 급격한 수급 변동 등으로 인해 금융위기나 국가 안보에 영향을 미칠 수 있는 경우가 많습니다.

대표적인 비상금속으로는 리튬, 코발트, 철, 금, 텅스텐 등이 있습니다. 이러한 비상금속들은 전기차, 핸드폰, 컴퓨터, 항공우주 산업 등에서 광범위하게 사용되는데, 특히 리튬은 현재 전기차 배터리에 매우 중요한 역할을 하고 있어, 중요한 비상금속 중 하나로 꼽힙니다

 

 

리튬이 희귀한 이유

 

1. 리튬은 지각에서 자연적으로 존재하지 않습니다. 대부분의 리튬은 지하수나 염수 등에서 추출되어야 하므로 지하수나 염수가 적은 지역에서는 리튬 자원의 발굴이 어렵습니다.

 

2. 리튬은 발견된 자원 중에서도 상대적으로 농도가 낮은 자원입니다. 리튬이 함유된 광석은 대부분의 광산에서 찾아지지 않기 때문에 리튬을 추출하기 위해서는 대규모 광산을 운영하거나, 대량의 지하수나 염수를 처리해야 합니다.

 

3. 리튬은 추출과정이 복잡하고 비용이 많이 들어가기 때문에 가격이 상대적으로 높습니다. 리튬 생산을 위해서는 많은 투자와 기술력이 필요합니다.

 

4. 최근에는 전기차, 태양광 저장 시스템 등에서 사용되는 리튬 수요가 급증하면서, 리튬 생산에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 하지만 리튬 자원은 한정적이기 때문에, 수요와 공급 사이에 격차가 발생하면서 가격이 상승하는 경향이 있습니다.

 

 

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리튬이 주목받는 이유

리튬이 비상금속으로 꼽힐 만큼 주목받는 이유는 무엇일까요? 

가장 대표적인 이유는 에너지 저장 장치인 리튬 이온 전지입니다. 이전지는 고속 충전 및 방전이 가능하며, 오랜 시간 동안 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다. 이러한 특성 때문에, 전기자동차나 태양광 발전 시스템에서 주로 사용되는데요, 특히 최근 몇 년간 전기차 및 재생에너지 산업에서의 수요 증가로 인해 세계적으로 주목받고 있어 경제적으로 매우 중요합니다. 

 

1. 전기차 시장에서 리튬 이온 배터리가 핵심적인 부품으로 사용됩니다. 리튬 이온 배터리는 우수한 충전 효율과 에너지 밀도를 가지고 있어서, 전기차의 주행 거리와 성능 향상에 큰 역할을 합니다. 전기차 수요 증가로 인해 리튬의 수요도 증가하고 있습니다.

 

2. 재생에너지 분야에서도 리튬이 사용되고 있습니다. 태양광, 풍력 등 재생에너지 발전 시스템에서 전기를 저장하기 위한 배터리에 리튬 이온 배터리가 사용됩니다. 또한 스마트 그리드와 같은 에너지 저장 시스템에서도 리튬 배터리가 필요합니다.

 

3. 전자기기 분야에서도 리튬은 중요한 재료입니다. 스마트폰, 노트북, 태블릿 등의 모바일 기기에서 사용되는 배터리에는 리튬 이온 배터리가 사용됩니다.

 

 

리튬의 활용 분야

 

1. 에너지 저장 장치 리튬 이온 전지는 에너지 저장 장치로서 주로 사용됩니다. 전기 자동차, 스마트폰, 노트북 등에서 사용되는 배터리는 모두 리튬 이온 전지입니다. 또한, 태양광 발전 시스템에서 에너지를 저장하는 데에도 리튬 이온 전지가 사용됩니다.

 

2. 의약품 리튬은 정신 질환 치료제로 사용되는데요, 우울증, 조울증, 강박증 등의 정신 질환에 대한 치료제로 사용되며, 미네랄로서는 면역 기능을 강화하고 염증을 억제하는 효과도 있습니다.

 

3. 핵융합 연료로서도 사용됩니다. 핵융합 연료 중 하나인 트리튬은 리튬과 수소의 혼합물로 만들어지며, 핵융합 반응에서 중요한 역할을 합니다.

 

4. 산업에서도 다양하게 사용됩니다. 예를 들어, 알루미늄 생산 과정에서는 리튬이 금속의 정제와 결정화를 돕는 역할을 하며, 유리 제조 과정에서도 사용됩니다.

 

5. 농업 분야에서도 사용됩니다. 리튬이 함유된 비료는 작물의 성장을 촉진하고 생산성을 높이는데 도움을 줄 수 있습니다. 특히,  염분과 함께 사용될 때 작물의 내구성을 향상시키고 건강한 성장을 촉진할 수 있습니다. 또한 잡초의 성장을 억제할 수 있어 잡초제거에도 사용됩니다. 

 

 

리튬은 우리 생활에 어떻게 사용될까

 

리튬은 현재 우리 생활에서 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 그중에서도 가장 많이 사용되는 분야는 배터리 제조 분야입니다. 특히 가벼우면서도 충전이 잘 되는 리튬 이온 배터리는 휴대성이 중요한 제품들에 많이 사용됩니다. 

 

리튬은 우리 생활에서 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 배터리 제조 분야를 비롯하여 전기화 및 휴대성이 요구되는 분야에서 광범위하게 사용되며, 미래에도 계속해서 사용될 것으로 예상됩니다.

 

리튬을 생산하는 방법

리튬은 대개 지하수나 염해수에서 추출되며, 생산 과정은 지역별로 다를 수 있습니다. 하지만 일반적으로 다음과 같은 공통적인 생산 과정을 따릅니다.

 

채굴: 리튬 생산은 지하 채굴로 이루어집니다. 지하 채굴은 지하에 있는 리튬 광물을 발굴하고, 지폐 기계 등을 사용하여 바위를 분쇄합니다.

 

추출: 채굴한 광석을 전기 분해(electrolysis) 과정을 통해 추출합니다. 이때 사용되는 전해질은 염산이나 황산과 같은 산입니다. 전해질은 광석을 분해하면서 리튬을 함유한 용액으로 바꿉니다.

 

정제: 추출된 리튬 용액은 여러 단계의 정제 과정을 거쳐 농축됩니다. 이 과정에서 남은 불순물은 제거됩니다. 최종적으로, 농축된 리튬 용액은 분말이나 다른 형태로 제조되어 사용됩니다.

 

가공: 정제된 리튬은 다양한 제품, 특히 배터리 제조 과정에서 사용됩니다. 리튬은 세라믹, 유리, 알루미늄 등과 같은 다양한 물질과 혼합되어 다양한 제품으로 가공됩니다.

 

이와 같은 생산과정에서, 에너지 소비가 많고 환경오염의 가능성도 높아지므로, 리튬 생산의 지속 가능성과 관련된 문제들이 이슈가 되고 있습니다. 따라서 현재 리튬 생산과정의 개선과 대체 가능한 대안에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있습니다.

 

리튬이 없이는 배터리를 만들 수 없는가?

 

리튬이 없이는 현재 사용되고 있는 대부분의 배터리를 만들 수 없습니다. 리튬은 배터리의 양극(positive electrode)인 리튬 이온을 제공하기 위해 사용됩니다. 리튬 이온 배터리는 충전 및 방전 과정에서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하면서 전기 에너지를 생성합니다. 이 과정에서 리튬은 높은 전기 전도성과 작은 원자 반지름을 가지고 있어, 충전 및 방전 사이클을 수행하는 데 이상적인 원료입니다. 따라서, 현재 우리가 사용하는 대부분의 전자 제품이나 전기차 등에서 사용되는 배터리는 리튬을 필수적으로 사용하고 있으며, 이를 대체할 수 있는 다른 원료는 아직까지 개발되지 않았습니다.

 

리튬이 가장 많이 생산되는 지역

현재 리튬의 채굴량은 전 세계적으로 상대적으로 적은 양으로 생산되고 있습니다.

리튬 생산량의 대다수는 아르헨티나, 호주, 칠레, 중국, 자메이카, 멕시코, 포르투갈, 러시아 등의 국가에서 집중적으로 이루어지고 있는데 특히, 아르헨티나, 칠레, 볼리비아 등의 남미 지역은 리튬 자원이 풍부한 지역으로 알려져 있습니다. 최근에는 캐나다, 독일, 프랑스 등에서도 리튬 생산이 활성화되고 있습니다.

 

만약 리튬이 고갈된다면 어떤 일이 생길까

지구상에서 비교적 희귀한 금속 중 하나인 리튬은 현재 사용량이 지속적으로 증가하고 있는 상황에서는 리튬의 고갈이 우려되고 있습니다. 리튬이 고갈된다면, 다양한 분야에서 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는데요, 특히 배터리 제조 분야에서의 영향이 크게 나타날 것입니다.

 

현재 대부분의 전기차, 스마트폰, 노트북 등이 리튬 이온 배터리를 사용하고 있으며, 이 배터리가 고갈되면 전기차나 휴대용 전자제품 등의 사용이 크게 제한될 수 있으며 태양광 발전 시스템 등에서도 영향을 미칠 수 있습니다. 태양광 발전 시스템에서는 리튬 이온 배터리가 에너지를 저장하는 역할을 담당하고 있으며, 이 배터리가 고갈되면 태양광 발전 시스템의 성능이 크게 저하될 수 있습니다.

 

리튬을 대체하기 위한 노력

현재 리튬을 대체하기 위한 다양한 연구와 노력이 이루어지고 있는데요, 리튬은 전기차 배터리 등 다양한 분야에서 사용되는 중요한 원소이지만, 리튬의 고갈 문제와 환경 문제 등의 문제점으로 인해 대체 가능한 기술 개발이 필요해졌습니다. 이에 따라 대체 가능한 배터리 기술을 연구하는 연구소들은 국내외에서 많이 설립되었고, 다양한 대체 가능한 배터리 기술이 개발되고 있습니다.

 

 

1. 그래핀은 두께가 아주 얇은 탄소 시트로, 높은 전도성과 내구성을 가지고 있어 리튬 이온 배터리 대신 그래핀 배터리를 개발하고 있는 연구가 진행 중입니다.

 

2. 나노세라믹스는 미세한 입자로 이루어진 세라믹 소재로, 높은 안정성과 내구성을 가지고 있어 배터리를 만들면 리튬 배터리보다 더 높은 에너지 밀도와 더 긴 수명을 가질 수 있다는 연구 결과가 나오고 있습니다.

 

3. 수소 연료전지는 수소와 산소를 사용하여 전기를 생산하는 방식으로, 친환경적이고 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다.

 

4. 카본 배터리와 알루미늄 배터리는 리튬 배터리보다 안전성이 높고, 충전 시간이 짧으며, 수명이 길다는 장점이 있습니다.

 

하지만 이러한 대체 가능한 배터리 기술들이 상용화되기까지는 아직 시간이 필요하며, 리튬 배터리가 대체되는 것은 현재로서는 먼 미래의 일입니다. 하지만 이러한 노력들은 리튬 고갈 문제를 해결하고, 더 높은 에너지 밀도와 더 긴 수명을 가지는 대체 가능한 배터리 기술을 개발하기 위한 것입니다.

 

우리나라가 리튬을 수급하는 방법과 개발을 위한 노력

우리나라는 리튬을 직접 생산하지는 않습니다. 대신 국내 기업들은 해외에서 리튬 원료를 수입하여 활용하고 있습니다.

우리나라는 전기차 등의 보급 확대에 따라 리튬 수요가 급증함에 따라 국내 기업들은 해외에서 리튬을 수입하고, 이를 가공하여 전기차 배터리를 생산하고 있습니다. 대표적인 기업으로는 LG화학과 삼성 SDI 등이 있으며, 이들 기업들은 국내외에서 인기 있는 전기차 제조사들과 협력하여 전기차 배터리를 공급하고 있습니다.

 

해외자원개발 세액공제 

산업부는 특정국의 수입 의존도를 낮추기 위한 노력으로 민간기업이 해외자원을 개방하는 것을 적극적으로 추진하기 위해 해외자원개발에 대한 투자세액공제를 도입하기로 하였습니다. 

 

비축일 수 확대와 비축기지 설립

우리나라는 광물 수요의 대부분을 수입에 의존하기 때문에 공급의 안정성을 위해 기존 54일이었던 비축일을 100일로 확대하고 핵심광물 전용 신규 비축기지를 설립하기 위한 방안을 검토 중입니다. 

 

전남 순천에는 리튬 생산 시설을 건설하는 프로젝트가 진행으로 국내 리튬 자원을 개발하고, 국내 기업들이 리튬 원료를 국내에서 생산할 수 있는 기반을 마련하기 위한 노력을 하고 있습니다. 이를 통해 국내 리튬 생산 비중을 높일 계획입니다. 

 

전남 순천에 건설 중인 리튬 생산 시설은 바닷속에 침전된 해저 황산염을 원료로 하여 리튬을 추출하는 공장입니다. 먼저 바다로부터 해저 황산염을 채취하여 농축시켜 리튬 함량을 높인 후, 화학적인 반응과 정제 과정을 거쳐 리튬을 분리·추출하는 침전법을 사용합니다.

 

리튬은 천연자원으로서는 희귀하고, 대부분의 리튬 원소는 수많은 소금 호수에서 채굴되거나, 또는 바위 속에 존재하는 미량한 양의 원소로서 추출되는 반면, 바닷속에 침전된 해저 황산염은 리튬 함량이 비교적 높은 원료로, 대량 생산에 적합합니다.

 

또한, 리튬을 추출하는 과정에서 수소와 산소 등의 부산물이 발생하지 않아 친환경적인 장점을 가지고 있습니다. 전남 순천에 건설 중인 리튬 생산 시설은 이러한 침전법을 사용하여 해저 황산염으로부터 리튬을 생산할 예정입니다.

 

이를 통해 국내에서 리튬 생산 비중을 높일 수 있으며, 전기차와 같은 분야에서 사용되는 리튬 이온 배터리 등의 제조에 필요한 안정적인 리튬 공급을 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다.