비존 B. 굿이너프가 1980년에 충전식 리튬 이온 배터리를 만들기 전까지는 리튬에 대한 관심이 많지 않았다. 하지만 리튬은 휴대폰, 노트북, 태블릿 등 전자 기기뿐만 아니라 점점 더 많은 전기자동차(EV) 와 고정 에너지 저장 시스템에 전원을 공급하는 배터리로 ‘미래 산업의 필수재’가 됐다.
리튬은 풍부하게 존재하는 자원이 아니다. 채굴 과정에서 환경 오염 문제도 발생할 수 있다. 또, 전기차와 스마트 기기 시장의 성장과 더불어 리튬에 대한 수요는 더욱 증가할 것으로 예상된다.
전기차에 필수 소재 리튬은 무엇인지, 어느 나라가 가장 많이 생산하는지, 그리고 미래에 전기차에 필요한 리튬은 충분한지 등 의문을 풀어본다.
리튬이란 무엇일까
리튬은 은빛 흰색의 부드러운 금속으로, 칼로도 자를 수 있을 정도로 쉽게 변형된다. 녹는점은 356°F (180.5°C)로 모든 금속 중 가장 낮으며, 밀도는 물보다 가볍다. 리튬은 지각에 풍부하게 존재하지만, 순수한 형태로 발견되는 경우는 드물고, 주로 암석이나 염수(소금물) 형태로 채굴된다.
리튬은 전기차 외에 휴대폰, 노트북, 태블릿 등 다양한 전자 기기에 전력을 공급하는 배터리로 사용된다. 또, 유리 및 세라믹, 윤활제, 의약품 등에 들어가는 현대 사회에서 필수적인 자원이다.
BYD 전기차 배터리 제조 공장 사진=BYD
전기차에 리튬이 필수인 이유는
리튬 이온 배터리는 전기차의 심장이라고도 불린다. 이 작은 배터리는 방대한 에너지를 저장하고 전력을 공급하며, 전기차의 장거리 주행과 강력한 성능을 가능하게 하는 핵심 부품이다.
리튬은 다른 금속들에 비해 매우 높은 전기 화학적 잠재력을 지닌 특별한 금속이다. 이는 리튬 이온이 다른 이온들보다 더 많은 에너지를 전달할 수 있다는 것을 의미한다. 리튬 이온 배터리는 이러한 리튬의 특성을 활용하여, 작은 크기와 무게에도 불구하고 강력한 에너지를 저장하고 공급할 수 있다.
리튬의 높은 에너지 밀도 덕분에 전기차를 한 번 충전하면 먼 거리 주행이 가능하다. 또 충전 시간이 빨라, 짧은 시간 안에 더 많은 에너지를 채울 수 있다.
리튬 이온 배터리의 또 다른 장점이 긴 수명이다. 일반적인 리튬 이온 배터리는 5년 이상 사용할 수 있으며, 최첨단 배터리는 10년 이상 사용 가능하다.
리튬 이온 배터리는 다른 종류의 배터리에 비해 안정적이고 안전하다. 과열이나 폭발 위험이 적고, 정상적인 사용 조건에서 화재가 발생할 가능성도 낮다. 이같은 안정성은 전기차 화재나 폭발 사고 위험을 줄여준다.
세계 최대의 경암 리튬 광산인 호주 서부의 그린 부시 광산 사진=칼리스테몬
어느 나라가 가장 많이 생산할까
2023년 기준, 리튬 생산량 1위는 호주다. 호주는 리튬 매장량이 풍부하고, 암석에서 리튬을 채굴하는 기술이 발달되어 있다. 칠레는 염수에서 리튬을 추출하는 방식으로 생산량 2위를 차지하고 있다.
중국은 ‘3위 아닌 3위’ 국가다. 중국은 자체적인 리튬 매장량은 부족하지만, 해외 광산 투자를 통해 생산량을 늘리고 있다. 또한, 리튬 이온 배터리 생산 능력이 세계 최고 수준이며, 이를 바탕으로 리튬 가공 및 정제 산업에서도 강력한 입지를 구축했다.
미국도 ‘잠재적 리튬 강국’이다. 캘리포니아 지역에서 리튬 생산을 확대하고 있으며, 앞으로 주요 생산국으로 떠오를 가능성이 높다. 미국은 풍부한 리튬 매장량을 보유하고, 환경 규제가 비교적 느슨하다는 장점이 있다.
이 외에도 아르헨티나, 브라질, 포르투갈, 캐나다 등 다양한 국가들이 리튬 생산에 참여하고 있다. 앞으로 리튬 생산 기술의 발전과 환경 규제 변화, 투자 유치 등에 따라 리튬 생산 국가들의 순위 변화도 예상된다.
리튬은 충분한가
현재 지구상에 존재하는 리튬 매장량은 약 8800만 톤으로 추정된다. 하지만 이 모든 리튬을 채굴할 수는 없으며, 채굴 과정에서 환경 오염 문제도 발생할 수 있다. 또한, 전기차 시장의 성장과 더불어 리튬에 대한 수요는 더욱 증가할 것으로 예상된다.
S&P 글로벌 플래츠에 따르면, 2030년에는 리튬 수요가 공급량을 22만 톤 넘을 것으로 전망된다. 이는 전기차 생산 목표 달성에 지장을 초래할 수 있는 심각한 문제다.
각국은 리튬 부족 문제를 해결하기 위한 다양한 연구와 기술 개발을 하고 있다. 폐 배터리에서 리튬을 추출하여 재활용하는 기술 개발이 활발하다. 현재 리튬 재활용률은 5% 정도에 불과하지만, 앞으로 기술 발전과 더불어 재활용률이 크게 향상될 것으로 예상된다.
리튬 대체 물질 연구도 한창이다. 리튬 대체 물질로서 나트륨, 칼륨, 마그네슘 등을 활용한 새로운 배터리 개발 연구가 진행되고 있다. 리튬 대체 물질은 리튬보다 풍부하고 저렴하며, 환경 영향도 적다.
리튬 대체 물질로 거론되는 ‘나트륨 이온 배터리’는 저렴하고 안전하지만, 에너지 밀도가 낮아 전기차에는 적합하지 않다. 칼륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 높은 에너지 밀도를 가지고 있지만, 충전 속도가 느리고 수명이 짧다. 마그네슘 이온 배터리는 가볍고 안전하지만, 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 낮고 아직 개발 초기 단계다.
배터리 업체들의 기술 개선도 진행 중이다. 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 안전성을 높이고 에너지 밀도를 향상시킨 배터리와 전극 없이 리튬을 사용하여 더 가볍고 저렴하게 제작할 수 있는 배터리 기술이 대표적이다.
