[3분순삭유튜브] 궤도가 알려주는 리튬의 모든 것 : 지구상 가장 가벼운 금속이 세상을 바꾼다!

리튬이 세상에서 가장 가벼운 금속이란 사실, 알고 계셨나요? 그러나 존재감은 그 반대죠. 요즘은 모두들 리튬에 주목하고 있으니까요. 대중과 과학의 연결고리 역할을 하는 과학 커뮤니케이터 궤도와 함께 리튬의 등장과 발전, 이를 둘러싼 치열한 패권 경쟁 등을 살펴보며 리튬의 미래를 전망해 보겠습니다.

리튬은 자율주행차, 노트북, 스마트폰, 휴머노이드 로봇, 드론과 차세대 항공기 등 다양한 첨단 기기를 움직이는 배터리의 필수적인 원료로, 무게와 에너지 효율성을 동시에 갖춘 경량화된 배터리의 핵심입니다. 현대 사회의 에너지 저장과 공급에 필수적인 핵심 요소인 리튬은 앞으로의 기술 혁신에서도 큰 잠재력을 지니고 있습니다. 리튬이 앞으로 어떤 역할을 하게 될지 예측하려면, 먼저 리튬의 기원과 특성을 알아야겠죠?

19세기 초, 스웨덴 화학자 요한 아우구스트 아르페드손이 스웨덴의 ‘우퇴 광산’에서 채굴된 페탈라이트라는 희귀 광물을 가지고 다양한 화학 반응을 실험하면서 광물 속에서 이전에 본 적 없는 성분, 리튬을 발견합니다. 기존 알칼리 금속들과 달리 매우 가볍고, 물과 만나면 강한 화학 반응성을 가진 원소였죠. 실험에 참가한 화학자들은 이 새로운 원소에 그리스어 ‘리토스’에서 딴 ‘리튬’이라는 이름을 붙였습니다.

그 후 리튬은 19세기 말부터 20세기까지 여러 산업 분야에서 만능 해결사로 활동합니다. 예를 들어, 유리 세라믹을 만들 때 추가하면 더 튼튼하고 투명한 그릇을 만들어 줬고, 윤활유와 섞으면 쉽게 변질되지 않아 탱크나 항공기 엔진 등 극한의 환경에서도 성능을 오랫동안 유지할 수 있게 해줍니다. 또 우주선 내부의 이산화탄소 제거 필터 소재나 우울증과 양극성 장애 치료에도 사용됐습니다.

본격적으로 리튬이 주목받게 된 계기는 ‘리튬이온배터리’의 등장입니다. 배터리라는 새로운 무대에 선 리튬은 가벼우면서 강력한 에너지를 저장할 수 있다는 특성이 극대화됐는데요. 2019년 리튬이온배터리 연구가 노벨 화학상을 수상하며 과학계와 산업계 모두에서 혁신성과 가치를 인정받기도 했죠. 가볍고 오래가고 충전도 빠른 배터리 기술이 완성되면서 우리 일상생활과 산업환경은 매우 크게 변화했습니다.

리튬이온배터리는 리튬이온이라는 셔틀버스가 양극과 음극이라는 정거장 사이를 끊임없이 왕복하며 전력을 실어 나르는 것과 같은 원리입니다. 음극으로 이온이 몰리면 충전 상태가 되고, 양극 쪽으로 몰리면 방전이 일어나는 셈이죠. 이 과정에서 리튬의 특성 덕분에 빠른 충전과 효율적인 전력 저장이 가능해지는데요. 니켈수소배터리나 납축전지에 비해 저장 효율이 뛰어나고 충전 시간이 짧아, 스마트 기기와 전기차 등에 더 적합합니다.

리튬이온배터리는 저렴하면서도 안정성이 뛰어난 LFP 배터리와 고용량, 고성능을 자랑하는 삼원계 배터리 등 여러 종류가 있는데요. 필요한 거대한 에너지가 효율적으로 저장 방출되는 리튬이온배터리의 등장에 리튬은 지속가능한 미래 시대의 핵심 동력으로 자리 잡고 있습니다. AI 발전에 따라 고성능과 경량화된 배터리의 필요성이 커지고, 헬스케어 기기나 AI 기기에서도 핵심 요소로 작용할 전망입니다.

리튬 기반 배터리는 AI와 드론, 차세대 항공기, 우주 개발 분야뿐만 아니라 날씨와 시간에 따라 출력이 달라지는 태양광과 풍력 등 신재생 에너지 분야에서도 필수적인데요. 실제 글로벌 리서치 기관들은 ESS 시장이 매년 평균 20~30%씩 빠르게 성장해 향후 2030년까지 최소 몇 배 이상 성장할 것으로 보고 있어, 리튬 기반 배터리는 미래 에너지 체계를 뒷받침하는 핵심 자원으로 자리 잡게 될 예정입니다.

더 가볍고 안전하고 에너지 밀도가 높은 차세대 배터리 기술도 개발 중입니다. 대표적으로 리튬황 배터리와 전고체 배터리를 꼽을 수 있는데, 리튬황 배터리는 양극에 황탄소복합체, 음극에 리튬메탈을 사용해 높은 에너지 밀도를 기대할 수 있습니다. 전고체 배터리는 액체 전해액 대신 고체 전해질을 사용해 폭발 위험을 줄일 수 있고, 흑연 음극제 대신 리튬 메탈 음극제를 도입해 에너지 밀도를 높일 수 있다는 점이 획기적입니다. 차세대 배터리가 상용화되면 기존 배터리보다 리튬 사용량이 20~40%  가량 증가할 것이고, 이는 국가 국가 전략 자원으로서 리튬의 가치가 훨씬 높아진다는 의미입니다.

21세기 석유라고 불리는 리튬! 문제는 전 세계에서 리튬을 생산하는 곳이 몇몇 나라에 편중돼 있다는 것인데요. 리튬 가격이 급등하거나 수출 제한이 걸리는 등 공급망 위기가 발생한다면 이는 곧 기업의 매출 감소와 기술 혁신 속도 저하로 이어져 결과적으로 전동화와 친환경 에너지 전환에 차질이 생기겠죠? 호주와 남미, 중국 등 대표적인 리튬 생산국들은 국가 차원에서 리튬을 전략 자원으로 삼고 남미의 리튬 삼각지대라 불리는 안데스산맥 일대 소금호수에서 대규모 리튬 염호가 개발하고 있습니다.

미국ㆍ중국ㆍ유럽 등 주요국들은 리튬 패권을 놓고 본격적인 경쟁 체제에 돌입했는데요. 공격적인 리튬 투자로 다른 나라의 시장 진입을 어렵게 만드는 중국에 대응해 미국과 유럽 연합 등이 안전한 리튬 공급망 구축이 나섰습니다.

미국은 2022년 발표한 인플레이션 감축법으로 중국 이외의 동맹국에서 채굴되거나 가공된 리튬을 사용하는 전기차만이 세제 혜택을 받도록 했고, 미국ㆍ캐나다ㆍ호주ㆍ한국ㆍEU는 광물 안보 파트너십을 결성했습니다. 유럽 연합은 2023년 핵심 원자재법 초안으로 내놓고, 광물 수요의 일정 비율을 자체에 조달하고 정제한다는 목표를 세웠습니다. 리튬 수입 의존도가 매우 높아 공급망이 불안정한 유럽은 신규 리튬 광산 개발, 리튬 재활용 산업 적극 투자로 다각적인 공급망 안정화 전략을 펼치고 있죠.

▲포스코홀딩스는 2018년 아르헨티나 살타주 옴브레 무에르토(Hombre Muerto) 염호의 광권을 인수하며 ‘포스코아르헨티나’ 현지법인을 설립했고, 2022년에는 염수 리튬 1단계 상·하공정 준공을 완료했다. 현재 연산 2만 5천 톤 규모의 2단계 상공정을 건설 중이며, 2030년까지 아르헨티나 염호에서 연간 10만 톤 이상의 리튬 생산을 목표로 하고 있다. 사진은 아르헨티나 염호에서 뽑아올린 리튬 염수를 저장하는 염수 폰드(pond) 전경.

우리나라 역시 공급망 안정화와 기술 고도화에 전력을 다하고 있습니다. 포스코홀딩스는 아르헨티나 염호를 직접 개발해 연간 수만 톤 규모의 리튬을 안정적으로 확보하는 계획을 추진하고 있죠. 우리나라 정부 역시 남미 국가들과 FTA 체결과 자원 외교를 통해 리튬 공급망 안정화에 적극적으로 나서고 있습니다.

이제 리튬은 단순히 가벼운 금속이 아니라 미래 기술 패권을 좌우할 자원으로 세계 무대에 올라섰다고 해도 과언이 아니죠. 대한민국이 이 경쟁에서 지속적인 경쟁력을 확보하기 위해서는 끊임없는 기술 혁신과 공격적인 자원 확보 노력이 이어져야 합니다.

배터리 산업과 함께 폭발적인 성장을 이루며 미래 기술의 열쇠로 떠오른 리튬! 전기차와 로봇, 우주 개발, AI 등 우리가 그리는 모든 첨단 분야에서 작은 금속이 큰 변화를 일으키고 있다는 점이 참 인상적이지 않나요? 언젠가 리튬보다 더 혁신적인 자원이 등장할 수도 있겠지만 지금은 리튬 없는 미래를 상상하기 어렵습니다. 리튬이 우리의 삶 한가운데서 어떤 미래를 만들어 갈지, 계속 지켜봐야겠습니다!

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