선택적 막, 리튬 추출의 새로운 길을 열다

배터리를 더 많이 생산하려면 리튬을 찾아내는 것만으로는 부족하다. 생산자는 리튬을 다른 물질과 분리해 제조에 적합한 소재로 가공해야 한다. 새로운 매장지 발견이나 배터리 기술의 획기적인 발전이 더 큰 주목을 받더라도, 이러한 처리 과정의 어려움은 에너지 전환에서 중요한 과제다.

University of Texas at Austin 연구진은 막을 통과해 리튬을 우선적으로 이동시키는 인공 분자 채널을 개발했다. Highly Selective Artificial Lithium Channels(고도로 선택적인 인공 리튬 채널)이라는 제목의 이 연구는 이온의 이동을 조절하는 살아 있는 세포의 관문에서 영감을 얻었다.¹

연구 결과는 리튬 정제를 위한 유망한 방향을 제시한다. 더 큰 가능성은 분리 과정을 한층 정밀하게 해 처리 시설의 다른 공정에서 필요한 작업을 줄이는 데 있다. 이러한 접근법이 상업적으로 유용해질지는 작은 채널을 더 크고 내구성 있는 막으로 조립했을 때 얼마나 잘 작동하는지에 달려 있다.

리튬 분리가 어려운 이유

염수에서 리튬은 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘이 녹아 있는 환경에 함께 존재한다. 이 원소들은 이온이라고 하는 전하를 띤 입자 형태로 존재한다. 이들을 분리하려면 크기가 알맞은 구멍이 있는 체만으로는 부족하다. 물 및 막 소재와 이온이 상호작용하는 방식에 따라 어떤 입자가 통과할 수 있는지가 달라지기 때문이다.

각 이온은 주변에 물 분자를 거느리며, 이를 흔히 수화 껍질이라고 한다. 좁은 채널을 통과하려면 이 껍질을 재배열하거나 벗겨 내야 할 수 있으며, 여기에는 에너지가 든다. 채널 내벽을 이루는 화학 작용기 역시 이온마다 서로 다른 방식으로 끌어당길 수 있다.

이는 크기뿐 아니라 화학적 특성으로도 이온을 구별하는 막을 설계할 기회를 제공한다. 앞서 Securities.io가 다룬 지속 가능한 리튬 채취를 위한 막은 고체 전해질을 사용하는 또 다른 접근법을 살펴봤다. 이번에 개발된 채널은 분자 구조를 달리해 같은 큰 목표를 추구한다.

생체모방 리튬 채널의 작동 원리

연구진은 필러아렌이라는 고리 모양 분자를 중심으로 채널을 만들고, 끝부분에 디페닐포스핀 옥사이드라는 화학 작용기가 달린 사슬을 추가했다. 입구에 있는 이 작용기들은 어떤 이온이 채널 안으로 들어갈 수 있는지를 결정하는 데 도움을 준다.

시뮬레이션 결과에 따르면 리튬은 입구에서 산소와 유리하게 상호작용하면서 작고 조밀한 수화 껍질을 상당 부분 유지할 수 있다. 나트륨과 칼륨은 해당 영역과 다른 방식으로 상호작용한다. 채널 안쪽으로 더 들어가면 공간 제약으로 추가 장벽이 생기며, 특히 마그네슘과 칼슘의 경우 그렇다.

크기 제한과 화학적 입장 조건이 모두 적용되는 출입구를 떠올리면 이해하기 쉽다. 크기가 충분히 작다는 것만으로는 부족하다. 입자 자체가 입구를 통과하고 안쪽의 조건도 견뎌야 한다.

연구진은 실험실 측정으로 시뮬레이션 결과를 뒷받침했다. 전기 실험에서는 지질막에 삽입한 채널을 통한 물질 이동을 측정했고, 형광 실험으로도 활성을 평가했다. 더 긴 채널 설계의 리튬 수송 활성도는 짧은 설계보다 약 3.2배 높았다. 이는 채널과 주변 막의 조합이 성능에 어떤 영향을 미치는지 보여준다.

리튬 채널 연구 결과가 보여주는 것

보충 자료에는 다음과 같은 비교 결과가 제시돼 있다. 선택도 수치는 실험실 조건에서 측정한 상대적인 이온 수송량을 나타낸다. 리튬 회수율이나 제품 순도 측정치, 공장 생산량의 배수를 뜻하지는 않는다.

이 표는 여러 경쟁 이온에 대해 뛰어난 결과를 보여주지만, 모든 항목에서 최고 기록을 세운 것은 아니다. 표에 포함된 기존 채널 중 하나는 리튬과 칼륨 사이에서 더 높은 선택도를 보였다. 연구마다 조건이 다르므로 이 표는 상용 시스템의 순위가 아니라 연구 결과를 비교한 자료로 봐야 한다.

주요 전기 실험에서는 작은 막 개구부를 사이에 두고 서로 다른 염 용액을 사용했다. 실제 염수는 훨씬 까다로운 환경이다. 농도도 서로 다른 여러 이온이 동시에 경쟁하기 때문이다. 각 이온을 따로 넣은 용액에서 성공적인 결과를 얻으면 유용한 특성을 확인할 수는 있지만, 혼합 염수 공정의 순도나 회수율까지 입증할 수는 없다.

선택적 분자에서 실용적인 막으로

다음 과제는 유용한 면적의 막 전체에 작동하는 채널을 충분히 배치하는 것이다. 채널 하나의 성능이 뛰어나더라도 제조 과정에서 대부분의 채널이 방향이 어긋나거나 막히거나 손상되면 전체에 미치는 영향은 미미하다.

보충 자료는 가정한 채널 밀도를 바탕으로 더 큰 막의 전기적 성능을 추정한다. 활성 상태이면서 방향이 제대로 정렬된 채널의 비율이 0.1%~1%일 때, 면적 비저항은 약 2.9~0.29옴·제곱센티미터로 예상된다. 저항이 낮을수록 전류의 흐름을 덜 방해한다.

이러한 추정치는 시험해 볼 만한 방향을 제시한다. 하지만 해당 특성을 갖춘 막이 실제로 제조됐음을 입증하는 것은 아니다. 이 계산은 측정된 단일 채널의 전도도와 가정에 기반한 채널 배열 및 활성도를 결합한 것으로, 저자들은 이를 상용 막과의 실험적 비교와 명확히 구분한다.

대학의 10월 연구 발표에 따르면 연구팀은 채널을 더 큰 막에 통합하는 작업을 진행하고 있다. 실제 염수를 이용한 실험과 산업 현장 시험이 여전히 필요하다.

실용성을 좌우할 세 가지 질문은 다음과 같다.

• 막이 시간당 충분한 양의 리튬을 처리하면서도 선택성을 유지할 수 있는가?
• 장시간 가동과 오염, 세척을 견딜 수 있는가?
• 공정 전반에서 절감되는 비용이 제조비, 에너지 비용, 교체 비용보다 큰가?

더 나은 분리가 리튬 경제성을 바꿀 수 있는 이유

초기에는 기존 설비의 한 공정 단계에 적용하는 것이 가장 유용한 상업적 활용 방식일 수 있다. 선택성 막은 문제를 일으키는 불순물을 제거하거나 최종 정제 전에 중간 공정의 흐름을 개선할 가능성이 있다. 이렇게 적용 범위를 좁히면 리튬 추출 공정 전체를 대체하는 것보다 검증하기 쉬울 수 있다.

이는 진척도를 평가하는 기준도 바꾼다. 높은 선택성 비율은 판매 가능한 리튬 단위당 총비용을 낮출 때 가장 큰 의미가 있다. 선택성은 매우 높지만 처리량이 적은 막은 필요한 막 면적이 너무 커져 장비 비용이 이점을 상쇄할 수 있다.

반대로 분리 성능이 다소 개선되는 정도라도 반복 처리 횟수를 줄인다면 가치가 있을 수 있다. 물 처리, 화학물질, 전력, 유지보수, 폐기물까지 포함해 공장 전체의 성능을 따져야 한다.

처리 성능이 개선되면 과거에는 개발이 어려웠던 자원의 매력도 높아질 수 있지만, 이는 이 연구의 결과가 아니라 가능성에 그친다. 자원이 존재하는 것과 경제성을 갖춰 회수할 수 있는 공급량은 다르다. 분리 성능을 높이면 새로운 매장지를 개발하지 않고도 그 격차를 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

투자 환경을 보면 비용이 중요한 이유가 더욱 분명해진다. 국제에너지기구(International Energy Agency)의 2026년 핵심 광물 전망에 따르면 리튬 기업들은 2025년 투자를 약 40% 줄였다. 가격 변동기를 견뎌낼 수 있음을 입증하는 기술은 이례적으로 높은 판매 가격을 전제로 경제성을 확보하는 기술보다 더 주목받을 수 있다.

Rio Tinto가 리튬 혁신과 산업 규모를 연결하다

상업적 리튬 처리에 관심 있는 투자자라면 Rio Tinto를 (RIO ) 살펴볼 만한 검증된 기업으로 꼽을 수 있다. 아르헨티나의 Rincon 프로젝트는 직접 리튬 추출 방식을 사용하며, 염수에서 리튬 회수율을 높이려는 더 큰 노력의 일부다.

Rio Tinto는 2026년 3월 Rincon 자금 조달 발표에서 25억 달러 규모의 프로젝트를 뒷받침하는 11억 7,500만 달러의 자금 조달 패키지를 공개했다. 회사는 연간 약 6만 톤의 배터리급 탄산리튬 생산 능력을 제시했으며, 증설분의 첫 생산은 2028년에 시작될 것으로 예상하고 증산에는 3년이 걸릴 것으로 전망했다.

이는 추출 기술을 실제 공급으로 전환하는 데 필요한 자본과 실행력을 보여준다. Rio Tinto를 통해 투자자는 사업을 다각화한 광업 기업의 일원으로서 상업적 리튬 개발에 투자할 수 있다. 검토한 자료에서는 이 회사와 대학이 개발한 해당 채널 사이의 연관성이 확인되지 않았다.

투자자는 기술 개선과 주주 수익률도 구분해야 한다. Securities.io의 최근 리튬 경제성과 배터리 투자 분석에서 설명하듯, 배터리 수요가 증가한다고 해서 원자재 공급업체의 수익성이 자동으로 높아지는 것은 아니다. 처리 비용을 낮추면 도움이 될 수 있지만, 원자재 가격과 프로젝트 실행 역시 중요하다.

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더 정밀한 리튬 회수를 향한 유망한 진전

이 인공 채널은 리튬 이동을 제어하는 기술에서 의미 있는 진전을 보여준다. 실험적 근거와 후속 설계를 이끌 수 있는 분자 수준의 설명을 결합했다는 점에서 중요하다.

다음으로 결정적인 성과는 실제 공급 원료를 처리하는 실용적인 막에서 지속적인 성능을 입증하는 것이다. 이 단계에 성공한다면 더욱 정밀한 분리를 통해 배터리 소재를 더 쉽게 생산할 수 있을 것이다. 현재로서는 이 연구가 유망한 토대와 명확히 규정된 공학적 목표를 제시한다.

참고 문헌:

¹ Behera, H., Duncan, T. J., Samineni, L., Oh, H., Yao, C., Dhiman, R., Wang, S., Hatch, L., Ganesan, V. 및 Kumar, M. (2026). 선택성이 매우 높은 인공 리튬 채널 [Supplementary information]. Journal of the American Chemical Society. https://doi.org/10.1021/jacs.6c13878