지속 가능한 리튬 채취 – 전기차 공급망 혁신

전 세계 탈탄소화 노력에 힘입어 전기차 성장은 빠른 속도로 지속될 것으로 예상되며, 10년 안에 전 세계 차량 판매의 절반 이상을 차지할 것입니다.

운송 부문의 광범위한 전기화는 화석 연료에 크게 의존해 전 세계 이산화탄소(CO2) 배출량의 약 20%를 차지하고 있지만, 전체 온실가스(GHG) 배출량을 크게 감소시키는 데 도움이 될 것입니다.

하지만 이러한 전기차로의 급속한 전환은 주요 문제를 가져옵니다 — EV 배터리에 사용되는 핵심 원소들의 공급망에 심각한 압박이 발생하고 있습니다.

EV 배터리 중에서 리튬이온 배터리는 저비용과 뛰어난 에너지 밀도로 가장 널리 사용되며, 앞으로도 주류 배터리 화학으로 남을 것으로 예상됩니다. 이는 특히 리튬(Li)이 계속해서 필수적인 구성 요소가 될 것임을 의미합니다.

부드럽고 은백색인 알칼리 금속인 리튬은 모든 고체 원소 중 가장 가볍고 물과 격렬하게 반응하며, 단일 전기차 배터리 팩에 상당량 사용됩니다.

따라서 자연스럽게 리튬에 대한 수요는 향후 10년 동안 기하급수적으로 증가할 것으로 예상되며, 2030년까지 리튬 광석 채굴이나 리튬이 풍부한 염수 추출로 얻을 수 있는 양을 크게 초과할 것입니다.

핵심 배터리 원소의 공급망 문제

Benchmark의 리튬이온 배터리 데이터베이스에 따르면, 리튬이온 배터리 수요는 올해 1테라와트시(TWh)를 초과할 것으로 예상되며, 이는 10년 전 74기가와트시(GWh)에서 급격히 증가한 수치입니다.

리튬이온 배터리에 대한 이 급증하는 수요는 자동차 산업과 에너지 전환 성장의 핵심이며, 각국이 자체적인 국내 공급망을 구축하려는 움직임을 촉진하고 있습니다.

중국이 업계를 장악하고 있지만, 경쟁이 심화되고 있으며 미국은 전기차 및 배터리 기술에서 주도권을 확보하려 하고 있습니다. 양국 모두 자국 산업을 보호하고 선두에 서기 위해 무역 제한을 시행하고 있습니다.

올해 1월, 중국은 전 세계 리튬 공급망에 대한 통제력을 강화하기 위해 리튬 추출 및 정제 기술을 제한하겠다고 제안했습니다. 또한 세계 최고의 리튬 배터리 제조업체들을 보유하고 있는 중국은 CATL이 35%의 가장 큰 시장 점유율을 차지하고 BYD가 그 뒤를 잇고 있으며, 전 세계 리튬 매장량의 16.5%를 보유한 두 번째 대형 보유국이 되었습니다.

볼리비아, 칠레, 아르헨티나는 다른 주요 리튬 매장량 보유국이며, 사우디아라비아와 같은 새로운 리튬 생산업체도 리튬 프로젝트에 대규모 투자를 통해 참여하고 있습니다.

미국도 상당한 리튬 매장량을 보유한 주요 국가 중 하나입니다. 그러나 그에도 불구하고 생산량은 세계 총량의 2% 미만으로 비교적 적습니다. 그리고 이 리튬의 거의 대부분은 Albemarle의 실버 피크 시설에서 나옵니다. 따라서 ‘미국 에너지 해방’ 명령은 채굴 허가를 간소화하고 국내 역량을 강화하려는 목적을 가지고 있습니다.

몇 달 전, 미국 고위 관리관은 중국 리튬 생산업체가 핵심 금속을 전 세계 시장에 과잉 공급해 경쟁 프로젝트를 차단하고 ‘포식적인’ 가격 하락을 초래했다고 비난했습니다.

리튬 가격은 지난 1년 동안 80% 이상 하락했으며, 이는 주로 중국의 과잉 생산 때문입니다. 당시 경제성장·에너지·환경 담당 국무부 차관보였던 호세 페르난데스에 따르면:

그들은 포식적인 가격 책정을 하고 있습니다… (그들은) 경쟁이 사라질 때까지 가격을 낮춥니다. 이것이 현재 일어나고 있는 일입니다.

그는 또한 중국이 현재 세계가 필요로 하는 양보다 훨씬 더 많은 리튬을 생산하고 있다고 덧붙였습니다. 이로 인해 가격이 낮아졌으며, 페르난데스는 이것이 ‘우리의 공급망을 전 세계적으로 다양화하는 능력을 제한한다’고 말했습니다.

경쟁이 심화되고 가격 변동성이 전 세계 공급망을 위협함에 따라, 안정적이고 지속 가능한 리튬 공급을 보장하기 위한 대체 추출 방법에 대한 긴급한 요구가 있습니다.

리튬 수요-공급 격차 해소

리튬 공급 격차를 효과적으로 해소하려면 기존 방식에서 비전통적인 수용성 원천으로 전환해야 합니다. 여기에는 지열 염수, 산업 폐수, 석유·가스 생산 물, 그리고 지하수에서 리튬을 추출하는 것이 포함됩니다.

전통적으로 이러한 추출은 태양 증발을 통한 전농축을 거친 뒤 일련의 화학 기반 정제 및 침전 과정을 포함합니다.

그 결과, 리튬 추출은 건조하고 넓은 토지를 가진 지역에 제한되며, 긴 처리 시간과 부정적인 환경 영향을 초래하고, 그럼에도 불구하고 회수율이 낮습니다.

이 때문에 직접 리튬 추출(DLE) 기술이 주목받고 있으며, 시간과 토지 집약적인 제한을 극복할 수 있습니다. 이러한 기술은 화학 기반 후처리 단계 없이도 고순도 리튬을 얻을 수 있습니다.

특히 이온 교환 수지와 흡착제는 리튬 추출을 위해 활발히 연구되고 있지만, 제한된 리튬 선택성으로 인해 부분적인 전농축이 필요하고 재생을 위해 대량의 담수 또는 화학 물질이 요구됩니다.

반면 전기화학적 리튬 삽입은 뛰어난 리튬 선택성을 보여주지만, 전극 수명이 크게 제한되고 주기적인 재생이 필요합니다.

하지만 고선택성 막은 지속적이고 지속 가능한 리튬 회수를 제공함으로써 이러한 제한을 극복할 잠재력을 가지고 있습니다. 이 방법은 경쟁 이온보다 리튬을 우선적으로 운반하도록 촉진합니다.

이 기술과 관련하여, 일반적인 이가이온 및 일가이온과 경쟁하는 상황에서도 높은 리튬 선택성을 제공하는 막 재료에 대한 연구가 계속해서 중요합니다.

최근 Rice University의 Elimelech 연구실 연구원들은 고체 전해질(SSE)을 수용성 리튬 추출용 막 재료로 재활용함으로써 큰 돌파구를 마련했습니다.

SSE는 배터리 분야에서 활발히 연구되는 주제이지만 수용성 이온 분리를 위한 막 재료로는 아직 많이 다루어지지 않았습니다. SSE 개발은 일반적으로 사용되는 액체 전해질의 인화성으로 인한 안전 문제 때문에 배터리 분야에서 집중적으로 연구되어 왔습니다.

고체 전해질(SSE)은 실제로 배터리에서 전통적인 액체 전해질에 대한 유망한 대안을 제공하며, 향상된 안전성과 높은 에너지 밀도 가능성을 제공합니다. SSE는 배터리 내 전극 사이에서 리튬 이온과 같은 이온을 전달할 수 있는 고체 물질입니다.

불연성으로 인한 안전성 향상 외에도, SSE는 내구성이 뛰어나지만 낮은 이온 전도도와 계면 불안정성 같은 과제에 직면해 있습니다.

SSE를 해수에서 리튬 이온을 선택적으로 추출하기 위한 막 재료로 활용하는 잠재적 적용에 관해 몇몇 연구가 가능성을 보여주었지만, SSE 내에서의 전달 메커니즘에 대한 근본적인 평가와 이해는 아직 탐구되지 않았습니다.

따라서 최신 연구는 리튬 브라인에서 일반적으로 경쟁하는 양이온에 대한 이온-이온 선택성을 평가하고, SSE 내 이온 및 물 전달의 기본 원리를 조사함으로써 수용성 리튬 추출용 막으로서 리튬 이온 전도 SSE의 사용을 평가합니다.

연구 결과는 ‘거의 완벽한 리튬 선택성’을 보여주었습니다. 또한 침투가 불가능함에도 불구하고 경쟁 양이온(양전하 이온)의 존재가 리튬 이온 흐름에 부정적인 영향을 미친다는 중요한 관계를 밝혀냈습니다.

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지속 가능한 전기차 배터리 공급망 구축

Science Advances에 발표된 이 연구는 효율적인 리튬 추출 방법—거의 완벽한 선택성을 가진 고선택성 고체 전해질 막—의 개발을 상세히 다루며, 이를 통해 전기차 배터리 공급망의 지속 가능성을 향상시킵니다.

연구팀은 원래 고체 전해질 배터리에서 리튬 이온의 빠른 전도를 위해 설계된 고도로 정렬되고 제한된 SSE 구조가 수용성 혼합물에서 이온과 물을 전례 없이 분리할 수 있음을 발견했습니다.

이는 전통적인 기술에 대한 의존도를 줄일 수 있는 지속 가능한 자원 회수 분야의 잠재적 돌파구를 의미합니다. 공동 저자인 Menachem Elimelech와 토목·환경공학 교수인 Nancy 및 Clint Carlson에 따르면:

도전 과제는 단순히 리튬 생산을 늘리는 것이 아니라, 지속 가능하고 경제적으로 타당한 방식으로 이를 수행하는 것입니다.

연구팀이 개발한 새로운 기술은 전통적인 나노다공성 막과 SSE 사이의 근본적인 차이에 기반합니다.

전통적인 막은 이온 운송을 위해 수화된 나노 규모의 기공에 의존하는 반면, SSE는 고도로 정렬된 결정 격자 내에서 무수(無水) 홉핑 메커니즘을 이용해 리튬 이온을 이동시킵니다.

이는 리튬 이온은 막을 통과할 수 있지만, 다른 경쟁 이온 및 물은 효과적으로 차단된다는 의미입니다. 우리 SSE 기반 접근법이 제공하는 극한의 선택성은 원하는 리튬 이온을 이동시키는 데에만 에너지를 사용하게 하여 리튬 수확에 매우 효율적인 방법이 됩니다.

– 첫 번째 저자 Sohum Patel, 현재 매사추세츠 공과대학(MIT) 박사후 연구원

이 현상을 테스트하기 위해 팀은 전기투석 장치를 사용했으며, 전기를 이용해 리튬 이온을 막을 가로질러 이동시켰습니다.

실험 결과, 경쟁 이온 농도가 높음에도 불구하고 SSE는 거의 완벽한 리튬 선택성을 유지했으며, 눈에 띄는 경쟁 이온이 없었습니다. 이는 전통적인 막 기술이 달성하지 못한 것입니다.

이제 SSE가 왜 이렇게 뛰어난 리튬 이온 선택성을 보이는지에 대한 질문에 답하기 위해, 팀은 계산 및 실험 기법을 혼합해 조사했으며, 이는 SSE의 촘촘하고 견고한 결정 격자를 지목했습니다. 이 구조는 물 분자는 물론 나트륨 및 마그네슘 이온과 같은 더 큰 이온도 막을 통과하지 못하도록 방지합니다.

격자는 분자 체와 같이 작용하여 오직 리튬 이온만 통과하도록 합니다. 이와 같은 매우 정밀한 크기와 전하 배제의 조합이 SSE 막을 독특하게 만듭니다.

– Elimelec

경쟁 이온은 SSE를 통과하지 못했지만, 연구자들은 그 존재가 리튬 흐름을 감소시켰다고 언급했으며, 그럼에도 불구하고 훨씬 덜 선택적인 막 재료에서 관찰된 수준과 비교할 만했습니다. 연구자들은 이온 교환을 위한 표면 사이트가 차단되는 것이 원인인 이 문제를 추가적인 재료 공학을 통해 해결할 수 있다고 믿고 있습니다.

또한, 점점 더 복잡하고 염분이 높은 원수에 SSE를 적용했을 때의 효능을 입증하기 위한 추가 연구가 필요합니다.

전반적으로 이 연구는 “SSE를 리튬 회수에 적용하는 것이 매우 유망하다”는 점을 강조합니다.

연구자들에 따르면, 이 새로 개발된 방법은 자동차, 전자, 재생 에너지 분야를 포함한 다양한 산업에 안정적인 리튬 공급을 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다.

SSE 기반 막은 다가오는 리튬 부족 문제를 해결할 뿐만 아니라, 전통적인 채굴처럼 환경에 부정적인 영향을 주지 않으면서 지속 가능하게 해결할 수 있습니다. Patel에 따르면:

SSE를 전기투석 시스템에 통합함으로써 다양한 수용성 원천에서 직접 리튬을 추출할 수 있게 되어, 대형 증발지와 화학 집약적인 정제 단계의 필요성을 줄일 수 있습니다. 이는 리튬 생산의 환경 발자국을 크게 낮추면서 공정을 보다 효율적으로 만들 수 있습니다.

리튬 생산과 관련된 비용을 감소시킬 수 있는 이 방법은 향후 5~8년 내에 산업적으로 채택될 가능성이 있으며, 연구자들은 SSE 재료가 앞으로 DLE 기술의 최전선에 설 것으로 기대하고 있습니다.

이와 더불어, 이 연구는 리튬을 넘어 이온 선택적 분리 분야에서도 SSE의 광범위한 적용을 예상합니다.

Elimelech가 언급했듯이, 고체 전해질(SSE)에서의 이온 선택 메커니즘은 물 원천에서 다른 중요한 원소를 추출하기 위한 유사한 막 개발에 영감을 줄 수 있으며, 이는 “자원 회수를 위한 새로운 종류의 막 재료”에 대한 문을 엽니다.

혁신적인 기업

Albemarle Corporation

이 분야에서 눈에 띄는 투자 가치가 높은 기업을 살펴보면, Albemarle Corporation (ALB ) 은 리튬 생산 분야의 글로벌 리더로서 지속 가능한 추출 기술에 투자하고 있습니다.

이 회사는 호주, 칠레, 미국에서 광산을 운영하고 있습니다. Albemarle가 ‘전 세계에서 가장 크고 높은 품질’이라고 말하는 리튬 자원은 경암석 매장량과 고염도 염수를 포함합니다.

하지만 Albemarle는 도전에 직면하고 있으며, 지난 여름 미국 사우스캐롤라이나에 있는 13억 달러 규모의 전기차 리튬 가공 공장을 일시 중단했습니다. 같은 시기에 배터리 등급 리튬 수산화를 생산하는 호주 공장의 확장도 리튬 가격 약세로 중단했습니다. 이 소식은 Albemarle가 생산량을 두 배로 늘리겠다는 계획을 발표한 지 약 1년 만에 나온 것으로, 2024년 3분기에 10억 달러가 넘는 손실 중 큰 부분이 이 프로젝트 실패에 기인했습니다.

리튬 시장의 가격 하락은 칠레의 강력한 생산, 트럼프 행정부의 관세, 그리고 중국의 설 연휴 이후 수요 둔화 등으로 계속되고 있습니다. 그 결과 Albemarle는 확장 프로젝트를 취소할 뿐만 아니라 인력도 감축해야 했습니다.

현재 Albemarle Corporation은 주로 에너지 저장, 스페셜티, Ketjen이라는 세 개 주요 부문을 통해 운영됩니다.

에너지 저장 부문은 리튬 클로라이드, 리튬 수산화물, 리튬 탄산염을 제조합니다. 스페셜티 부문은 고도로 특화된 리튬 및 브롬 솔루션을 최적화하며 이동성, 에너지, 연결성, 헬스 산업에 서비스를 제공합니다. Ketjen은 성능 촉매 솔루션(PCS), 청정 연료 기술(CFT), 그리고 항공우주, 자동차, 전통 에너지, 그리드 저장 및 기타 시장에 서비스를 제공하는 유동성 촉매 분해(FCC) 촉매 및 첨가제에 집중합니다.

시가총액 87억 8천만 달러인 Albemarle의 주가는 현재 주당 74.82달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 12.28% 하락했습니다. EPS(TTM)는 -11.19, P/E(TTM)는 -6.74이며, 배당 수익률은 2.15%입니다. 2월 27일, 회사는 4월 1일 지급되는 주당 0.405달러의 분기 보통주 배당을 선언했습니다.

재무 측면에서 2024년 4분기 Albemarle는 순매출 12억 달러, 순이익 7,500만 달러(희석 주당 0.29달러)를 보고했으며, 조정된 희석 손실 주당은 ($1.09)였습니다.

순매출은 전년 동기 24억 달러 대비 48% 감소했으며, 이는 에너지 저장 부문의 가격 및 판매량 감소 때문이라고 회사는 설명했습니다. 부문별 순매출은 에너지 저장 6억 1,700만 달러, 스페셜티 3억 3,300만 달러, Ketjen 2억 8,200만 달러였습니다.

4분기 동안 Albemarle는 메이산 및 라 네그라 리튬 전환 공장에서 사상 최고 생산량을 달성했다고 보고했습니다. 그러나 올해 중반까지 중국 청두에 있는 시설을 정비할 계획입니다.

연간 기준으로 회사는 순매출 54억 달러와 순손실 12억 달러를 보고했으며, 영업 현금 흐름은 7억 200만 달러였습니다. 2024년 12월 31일 기준 Albemarle는 현금 및 현금성 자산 12억 달러를 포함해 약 28억 달러의 유동성을 보유했으며, 총 부채는 35억 달러였습니다.

우리는 비용을 절감하고 전환 네트워크를 최적화하며 효율성을 높여 장기적인 경쟁력을 유지하기 위한 결단력 있는 조치를 취하고 있습니다. 앞으로도 변동성 있는 시장 상황이 지속될 것으로 예상하지만, 재무 유연성을 높이고 핵심 역량을 강화하며 Albemarle를 미래 성장에 대비시킴으로써 이해관계자에게 가치를 제공할 수 있다고 확신합니다.

– CEO Kent Masters

2025년에는 회사가 자본 지출을 7억~8억 달러 범위로 예상하고 있으며, 이는 2024년 17억 달러 대비 50% 감소한 수치입니다. Albemarle는 이번 지출이 기존 자산 및 자원을 유지하는 데 우선순위를 두고 있음을 반영한다고 밝혔습니다.

Albemarle Corporation 최신 소식

결론 

오늘날 초고속 이동성이 강조되는 세계에서 전기차는 지속 가능성 문제에 대한 해결책으로 부상했습니다. 전기차는 탄소 배출을 줄이고 화석 연료 의존도를 낮추는 방법을 제공합니다. 이 혁명의 핵심에는 배터리 기술이 있으며, 이는 전기차가 교통의 미래를 재구성하도록 돕고 있습니다.

이 배터리의 핵심 구성 요소인 리튬은 전기차뿐만 아니라 많은 현대 장치와 에너지 저장에도 필수적이며, 청정 에너지 전환에 있어 리튬의 중요성으로 인해 전 세계가 안정적인 리튬 공급 확보를 위해 경쟁하고 있습니다.

전통적인 리튬 추출 방법은 효과적이지만 환경 문제, 자원 집약적인 채굴, 긴 처리 시간 등으로 제한됩니다. 여기서 고체 전해질(SSE) 막의 사용과 같은 돌파구는 지속 가능하고 효율적인 리튬 수확을 가능하게 하여 다가오는 공급망 문제를 완화할 뿐만 아니라 배터리 생산의 미래를 재정의하는 변혁적인 해결책을 제시합니다.

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