안녕하세요, 오늘은 2차전지 배터리의 핵심 소재 원소 리튬의 대해서 알아보겠습니다.
가장 밀도가 낮은 금속 원소로, 원자번호 3번. 때문에 가장 가벼운 금속성 원소이다.
설명
주기율표 제1족에 속하는 알칼리 금속의 하나로서, 원자량 6.941, 녹는점 180.54도, 끓는점 1347도 비중 0.534
을 갖는다. 알칼리 금속이기에 덩어리를 물에 넣으면 폭발적으로 반응한다. 이름의 유래는 그리스어로
돌을 뜻하는 Lithos.
1817년, 스웨덴의 화학자, 광선업자 요한 아우구스트 아르프베드손(Johan August Arfwedson),
1792~1841)은 페탈라이트 (엽장석)의 화학분석에 의해 미지의 물질이 함유되어 있는 것을 발견했다.
그 후 불꽃반응에 의해 새로운 원소 리튬의 존재가 명백해졌다. 리튬의 불꽃색은 짙은 빨간색이다.
다른 알칼리 금속과 마찬가지로 칼로도 쉽게 잘릴 정도로 무르고 공기와 물과 잘 반응하여 공기 중 수분과도 반응한다.
그래서 금속 리튬은 석유에 담가서 보관해야 하는데 가벼워서 석유에도 뜨므로 끈끈한 바셀린 따위에 보관한다.
또는 아르곤 따위의 비활성 기체 속에 보관하기도 한다. 그래서 리튬 배터리를 삼키면 물과 반응해 몸속에서
고열을 낼 수 있어 매우 위험하므로 얼른 응급실로 가야 한다.
무게 대비 전기 전도성이 가장 높은 원소이다. 그러나 비싼 가격과 높은 반응성으로 인해 전선 목적으로는 이용되지
않는다. 또한 리튬으로 만든 불꽃을 액체 질소로 끌 수없다. 질소와 격렬히 반응하여 질화 리튬을 만들기 때문이다.
항성의 핵융합 과정에서 소모되는 원소이므로 갈색왜성과 적색왜성을 구분하는 기준이 되기도 한다.
다만 태양과 같이 더 큰 항성의 경우 복사층으로 인해 핵과 외부층이 구분되므로 핵융합 반응이 일어 남에도
리튬이 검출될 수 있다.
지각에서 리튬이 차지하는 비율은 0.0017%으로, 아연-구리-텅스텐-코발트보다는 적고 주석-납보다는 조금 더 많다.
주 생산국은 미국, 칠레, 호주, 캐나다, 중국 등인데, 볼리비아의 우유니 사막에 540만 톤이 매장되어 있다는 사실이 알려
져 전 세계의 관심이 집중되었다. 2010년에 치러진 2011 수능 화학 2에 문제로 출제되었다.
한편, 체코에서는 2017년에 유럽 최대의 리튬광산이 폐광 지역 어었던 치노백에서 발견되어 세계 5위의 리튬 생산국이
될 예정이라고 한다.
설명 2
2020년이면 지표상에 리튬이 고갈된다고 한다는 말도 있었으나, 이론상 무한정 재사용이 가능한 데다 수요의 확대에
따라 계속해서 채굴장이 개발되고 있어 사실상 석유 고갈과 같은 말로 취급된다. 문제는 광산의 개발속도가 전기자동차의
수요를 따라잡지 못하고 있다는 것. 안 그래도 줄어들 예정인 리튬 생산량 중 20%만이 이차전지의 재료인 수산화리튬
이라고 하여 이차전지의 수요가 갈수록 증가해 가는 현실에 이온 중에서 리튬을 뽑아 올리는 연구도 진행 중이다.
참고로 바닷물 속에는 1리터당 0.17mg 정도의 리튬이 녹아있다. 2022년 나트륨 이온 전지는 상용화 직전 단계이며,
2023년부터 여러 기업에서 대량 생산 예정이다. 그러나 해수에서 리튬을 추출하는 기술은 여전히 연구개발 중에 있다.
이에 대한 반론으로 2017년 보고서에 따르면 확인된 미국 내 리튬 매장량은 690만 톤이며 미국 외 전 세계 리튬
매장량은 약 4천만 톤으로 추정된다. 역시 같은 리포트에서는 2016년 세계 리튬 소비량을 37,800톤으로 추정하고
있으며 이 생산량은 수요 증가에 따라 전년도(33,300톤) 보다 증가한 수치이다. 따라서 위에 언급된 2020년
리튬 고갈에 대해서는 해당 보고서의 오역에서 비롯된 오해라는 주장이 있다.
2017년 상반기를 기준으로 리튬의 가격이 3년 만에 4배가 넘게 폭등했다. 전기자동차 시장이 활성화되며 배터리의
수요가 폭발적으로 늘어나는 데에 따른 것인데, 최근 업계에서는 리튬을 "하얀 석유"로 부르고 있다고 한다.
(골드만 삭스, 자동차가 석유가 아닌 리튬배터리로 달리는 것을 비유해서 한 말이다). 이런 추세에 따라 국내에서도
포스코에서 국내 최초로 리튬 생산 공장을 세워 LG화학과 삼성 SDI 등에 리튬을 납품한다고 한다. 다만, 포스코의
국내 공장에서 생산하는 리튬은 폐 2차 전지에서 추출하므로 생산량에 한계가 있어 LG화학과 삼성 SDI에 충분히
공급하기에는 한참 모자랄 것이다. 그리고 포스코는 철광석 이외에 광석 생산으로 사업을 다각화하는 목적에서 리튬
생산에 적극적이며 아르헨티나에 연 2만 톤 규모의 생산 공장을 운영하려고 하고 있다. 그런데 PD수첩의 보도에 따르면
이 생산공장은 시작도 하지 않았다고 한다. 애초에 공장을 설립하려 한 염호 지역이 해발 4.000m의 문명과 동떨어진
극한지대여서 다른 의도로 투자를 한 것이 아닌가 의혹이 불거지고 있다. 2017년 현재 세계 1,2위 생산 업체는 중국회사
Tianqi(티엔치)와 Ganfeng(간평)이며 이 회사는 연 3만 톤 규모로 생산 중이다.
기타
리튬이 가격이 오르자 전 세계적으로 리튬을 캐기 위해 눈에 불을 켜고 뒤지고 있으며, 이에 매년 알려진 매장량이 급속도로
늘어나고 있다. 불과 몇 년 전까지만 해도 호주가 최대 매장량이라고 알고 있었지만, 현재는 리튬 트라이앵글로 불리는 볼리비아
, 칠레, 아르헨티나를 거점으로 하는 지대에 전 세계 매장량의 70% 이상이 매장되어 있는 것으로 조사되고 있다.
다만 이들 나라는 리튬 생산을 전부 자국에서 하도록 강제하고 있다. 과거 석유 등 자원을 해외 기업들에게 빼앗긴 경험이
이들로 하여금 아주 보수적인 접근을 하게 만들고 있으며, 이에 따라 해외 국가의 진출이 쉽지 않다. "광물의 표본실"이라는
별명이 붙어있는 대한민국에도 리튬이 없는 것은 아니나 "표본실답게" 채산성이 없어서 생산하지 않는다고.