지속가능성
지열 풀을 활용해 우리의 리튬 수요에 대응하기
리튬을 위한 끊임없는 탐색
With the rise of EVs, the demand for lithium-ion batteries exploded, as did the need for lithium resources. This demand is expected to keep growing exponentially, with only the steepness of this curve in question, depending on the speed of EV adoption.
전기차(EV)의 증가와 함께 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 급증했으며, 리튬 자원에 대한 필요성도 마찬가지였습니다. 이 수요는 전기차 채택 속도에 따라 곡선의 가파름만이 변수로 남아, 계속해서 기하급수적으로 성장할 것으로 예상됩니다.
출처: Statista
리튬은 추출이 어려워 문제를 일으켰습니다. 과거에는 가격 변동이 심해 배터리와 전기차 제조업체들의 원가가 크게 변동했습니다.
출처: Carbon Credit
현재 리튬은 주로 경암(hard rock)이나 염수(brine)에서 생산되며, 두 경우 모두 많은 에너지와 물 소비를 필요로 합니다.
대안으로는 지하 매장지에 존재하는 지열 염수에서 리튬을 생산하는 방법이 있습니다. 그러나 기술적인 측면에서 이는 까다로운 과제였습니다.
하지만 라이스 대학교 연구진이 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)라는 권위 있는 학술지에 “염수에서 선택적으로 리튬을 추출하기 위한 3-챔버 전기화학 반응기1”라는 제목으로 결과를 발표하면서 상황이 바뀌었을 가능성이 있습니다.
리튬은 어디에서 오는가?
리튬은 지각의 0.002%에 불과하며, 상업적으로 채굴 가능한 고농도 매장지는 거의 없습니다.
현재 전 세계 배터리와 정제된 리튬의 대부분은 중국에서 공급됩니다. 이 광물은 주로 ‘리튬 삼각지대’(칠레, 아르헨티나, 볼리비아), 중국, 그리고 호주에서 채굴됩니다.
이로 인해 다른 국가들은 대안적인 공급원을 모색하게 되었으며, 지하 염수가 좋은 후보가 되고 있습니다. 예를 들어, 최근 아칸소 주가 석유·가스 매장지와 인접한 염수에 현재까지 알려진 미국 전체 리튬 매장량보다 더 많은 리튬 자원을 포함하고 있을 수 있다는 사실이 발견되었습니다.
이러한 염수는 종종 비교적 높은 농도의 리튬을 함유하고 있습니다. 문제는 이 염수에 다른 다양한 광물들이 복합적으로 존재하기 때문에 리튬을 어떻게 추출하느냐입니다.
이 염수가 고농축되어 있기 때문에, 기존에 사용되던 대규모 증발 풀 대신 직접 리튬 추출(DLE) 방식이 대안으로 검토되고 있습니다.
출처: Euronews
직접 리튬 추출
직접 추출은 선택적 추출 과정을 통해 리튬 원자를 목표로 합니다. 이는 몇 가지 다른 방법을 통해 달성될 수 있습니다:
- 흡착 기반 DLE, 리튬이 전용 물질에 물리적으로 흡착되는 방식.
- 이온 교환 기반 DLE, 리튬이 양이온(양전하 이온)과 교환되는 방식.
- 용매 추출 기반 DLE, 유기 액체 용매가 리튬을 흡수·용해하여 염수로부터 분리하는 방식.
출처: Lithium Harvest
전기화학적 리튬 추출
덜 탐구된 또 다른 옵션은 전기화학적 리튬 추출입니다. 이 방법은 강력한 전류를 이용해 염수 속의 다른 광물들로부터 리튬을 분리하는 아이디어입니다.
앞서 언급했듯이, 이러한 염수에는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨 등 이온 크기와 전하가 유사한 다양한 광물이 많이 포함되어 있습니다. 따라서 이온 특성만을 기반으로 하는 방법은 리튬만을 완전히 선택하기 위해 여러 차례 반복해야 하므로 어렵습니다.
대안으로 전류를 이용할 수 있지만, 염수에는 염소 이온이 많이 포함되어 있어 전통적인 전기화학 공정에서 리튬을 분리할 때 극히 독성인 염소 가스로 전환될 수 있습니다.
염소 가스는 할로겐으로도 알려져 있으며, 제1차 세계대전 중 전투 가스로 사용된 바 있습니다. 그러나 전기화학적 리튬 추출 과정에서의 염소 가스 발생 문제는 현재까지 이 기술이 상업적으로 활용되는 것을 막아왔습니다.
배터리 기술을 활용한 리튬 추출
역설적으로 배터리 기술의 혁신이 바로 그 배터리를 위한 리튬 추출 문제를 해결할 수 있습니다. 라이스 대학교 연구진은 배터리에서 자주 사용되지만 리튬 가공에는 아직 적용되지 않았던 신형 리튬 이온 전도성 유리 세라믹(LICGC) 막을 사용했습니다. LICGC는 고체 전해질 소재로, 전고체 배터리 제작에 적합한 후보입니다.
이 막은 다른 화학물질의 이온은 차단하면서 리튬 이온만을 선택적으로 통과시키는 데 매우 효과적입니다.
3-챔버 전기화학 반응기
전통적인 리튬 추출용 전기화학 반응기는 2개의 챔버로 구성됩니다: 첫 번째 챔버에는 목표 염수가, 두 번째 챔버에는 추출된 리튬이 들어갑니다.
중간에 LICGC 막을 추가함으로써 연구진은 중간 제3 챔버를 만들었으며, 이곳을 통해 주로 리튬만이 LICGC를 통과할 수 있게 되었습니다.
“우리 분야는 오랫동안 리튬 추출의 비효율성과 환경 영향을 극복하기 위해 고군분투해 왔습니다. 이 반응기는 근본 과학과 공학적 창의성을 결합해 실제 문제를 해결할 수 있음을 보여주는 증거입니다.”
하오티안 왕, 라이스 대학교 화학 및 생물분자공학 부교수.
연구진이 수행한 테스트에서 리튬 순도는 97.5%에 달했습니다. 동시에 Na+, K+, Mg2+, Ca2+ 농도는 매우 낮아 연구 장비의 검출 한계 이하였습니다.
더 중요한 점은 염소 이온을 차단하는 데 특히 효율적이며, 염소 가스 발생을 크게 감소시켰습니다. 많은 전력을 소비하고 유해 가스를 생성하는 대신, 새로운 설계에서는 전체 전력의 6.4%만이 염소 이온과 반응했습니다.
하지만, 해결해야 할 몇 가지 문제들이 남아 있습니다
테스트 과정에서 연구진은 LICGC 막에 나트륨 이온이 축적되는 현상을 발견했습니다. 이를 방치하면 시간이 지남에 따라 반응기의 효율이 저하될 수 있습니다. 따라서 이 문제가 해결될 때까지 3-챔버 전기화학 반응기는 상업 규모로 배치될 수 없습니다.
문제 해결을 위한 가능성 중 하나는 염수의 나트륨 함량을 낮추기 위해 사전 처리하는 것입니다.
또 다른 방법은 나트륨 이온이 처음부터 부착되지 않도록 특수한 막 코팅을 찾는 것입니다.
리튬 및 배터리 기술에 투자하기
리튬 이온 배터리는 이미 여러 차례 세계를 변화시켰으며, 사람들에게 첨단 전자기기를 어디서든 휴대하게 해주고 전기로만 자동차를 구동시키는 등 큰 영향을 미쳤습니다.
앞으로도 100% 재생 가능 전력망을 구현하거나 충분한 에너지 밀도에 도달했을 때 항공기의 전기화 등을 가능하게 함으로써 다시 한 번 세상을 바꿀 수 있습니다.
여러 증권사를 통해 배터리 관련 기업에 투자할 수 있으며, securities.io에서 미국, 캐나다, 호주, 영국, 그리고 다른 많은 국가의 최고의 증권사 추천을 확인할 수 있습니다.
특정 리튬 또는 배터리 기업을 직접 선택하고 싶지 않다면, Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X의 Lithium & Battery Tech ETF (LIT), 혹은 WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF와 같은 바이오테크 ETF를 고려해볼 수 있습니다. 이러한 ETF는 성장하는 리튬 및 배터리 산업에 대한 보다 다양화된 노출을 제공합니다.
또는 우리의 “배터리 금속 및 재생 에너지 채굴 주식 Top 10”을 참고할 수 있습니다.
직접 리튬 추출 기업
Rin Tinto
(RIO )
Rio Tinto는 세계에서 두 번째로 큰 광산 기업으로, 철광석 채굴을 중심으로 구리, 알루미늄, 금, 우라늄 등 다양한 광물을 보유하고 있습니다.
Rio Tinto는 특히 기니의 대규모 철광 프로젝트인 Simandou와 몽골 역사상 가장 큰 프로젝트인 Oyu Tolgoi 구리 광산을 통해 빠르게 확장하고 있습니다.
앞으로 5년간 Rio Tinto는 전 세계 구리 공급 성장량의 25%를 차지할 것으로 예상됩니다.
최근 Rio Tinto는 리튬 채굴 분야에 대규모 진출을 하였으며, 2023년 대형 리튬 생산업체인 Allkem과 Livent의 합병으로 탄생한 리튬 대기업 Arcadium Lithium을 인수하여 세계 3위 리튬 생산업체가 되었습니다.
출처: Arcadium
이번 합병으로 Arcadium은 리튬 생산 및 가공 전 단계에 걸친 기업이 되었으며, 2028년 말까지 생산 능력을 두 배 이상 확대할 계획을 가지고 있습니다.
Arcadium 혁신
DLE
이번 인수와 관련해 “Rio Tinto의 진정한 보상”이라고 불리는 것은 Arcadium의 직접 리튬 추출(DLE) 기술입니다. Arcadium은 1996년부터 증발 풀과 결합한 DLE를 연구해 왔으며, 최근 독립적인 추출 방식으로 상업적 실현 가능성을 크게 향상시켰습니다.
특히 Livent가 2023년에 ILiAD Technologies를 인수했습니다.
“ILiAD 기술 플랫폼은 우수한 리튬 선택 흡착제와 연속 역류 베드 처리를 결합합니다.”
“Livent는 세계 최고의 DLE 기반 생산 프로세스 실무자이자 가장 큰 사용자이며, ILiAD가 DLE의 미래에 가져다줄 장점을 인정해 주어 기쁩니다.”
Arcadium의 장기적인 DLE 전문성과 ‘다양한 조건에서 풍부한 리튬 함유 염수’라는 ILiAD의 특성이 Rio Tinto가 Arcadium을 인수한 주요 이유였으며, 리튬 시장의 순환적 특성으로 인한 낮은 평가와 결합되었습니다.
장기적으로 전기화학적 리튬 추출이 흡착제 기반 방식을 대체할 수 있지만, 향후 주요 리튬 추출 방식이 된다면 규모 확대된 DLE 경험이 여전히 큰 이점을 제공할 것으로 보입니다.
리튬 포일
Arcadium은 또한 배터리 성능을 향상하고 제조 비용 및 리튬 사용량을 줄일 수 있는 인쇄 가능한 리튬 포일 형태인 LIOVIX를 개발했습니다.
출처: Arcadium
Rio Tinto의 친환경 프로필
Arcadium 인수를 통해 Rio Tinto는 구리 추출 혁신을 이끈 벤처인 Nuton을 통해 채굴 산업 혁신가 그룹에 확고히 자리 잡게 되었습니다. Nuton의 새로운 기술은 채굴된 광석에서 구리 회수율을 크게 높입니다.
Rio Tinto의 알루미늄 생산은 수력 발전을 이용해 보크사이트를 알루미나와 알루미늄으로 정제함으로써 저탄소화되었습니다.
Rio Tinto는 또한 다른 리튬 프로젝트에도 투자했으며, 최근 아르헨티나의 Ricon 프로젝트와 세르비아의 논란이 되는 Jadar 리튬 프로젝트(유럽 최대 규모의 리튬 프로젝트일 가능성)를 인수했습니다.
최근 인수와 신규 프로젝트 덕분에 Rio Tinto는 핵심은 철광업체이지만 점점 더 친환경적인 프로필을 갖추고 있으며, 에너지 전환에 필요한 구리, 저탄소 알루미늄, 리튬 등 모든 금속 분야에서 강력한 성장을 보일 것으로 예상됩니다.
연구 참고:
1. Feng, Y., Park, Y., Hao, S., Fang, Z., Terlier, T., Zhang, X., Qiu, C., Zhang, S., Chen, F., Zhu, P., Nguyen, Q., Wang, H., & Biswal, S. L. (2024). 염수에서 선택적으로 리튬을 추출하기 위한 3-챔버 전기화학 반응기. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(47), e2410033121. https://doi.org/10.1073/pnas.2410033121
