2차 전지의 핵심 리튬, 그 발견과 핵심인 이유

세계적으로 친환경 에너지의 개발이 경쟁적으로 이뤄지고 있습니다. 그 중 2차 전지의 관심이 압도적으로 높습니다. 그럼 2차 전지의 산업으로써의 방향과 그 개념을 정리해야할 필요가 있습니다. 필자는 이번 게시물부터 시리즈로 2차 전지에 대해 정리해보는 시간을 가지도록 하겠습니다.

 

리튬의 발견

1817년 스웨덴 요한 아르프베드손 이라는 화학자에 의해 발견되었습니다. 알칼리 금속은 물에 잘 녹는 성질때문에 광물에서 발견되기 힘든데 광물에서 발견하였기 때문에 암석을 뜻하는 그리스어 '리토스(Lithos)'에서 착안해 '리튬(Lithium)'이라고 명명했습니다.

 

그러나 순수한 리튬을 추출하는 것은 1818년 영국의 화학자 험프리 데이비에 의해 이루어집니다. 화학 기호로 'Li'로 표기되는데 원소번호로는 3번입니다. 금속임에도 가볍고 무르기 때문에 칼로 자를 수 있습니다.

 

리튬이 배터리에 왜 필요한가

리튬 이온 배터리는 1991년 일본 소니에 의해 개발되었습니다. 배터리의 4대 요소인 양극재, 음극재, 분리막, 전해액 중 양극재의 원료로 각광받기 때문입니다.

 

첫 번째, 전자를 쉽게 내놓는 성질때문에 양이온이 되기 쉬워 전기에너지 변환 능력이 좋습니다.

 

두 번째, 가볍습니다. 무게가 덜 나간다는 것은 비용적인 측면에서 유리합니다. 생산된 배터리가 무겁다면 운송에도 비용이 많이 들며, 특히 가전, 차량 등에 사용되면 에너지 효율적인 측면에서 좋지 않습니다. 

 

세 번째로는 에너지 밀도가 높습니다. 기술이 계속해서 발전함에 따라 2020년에는 300Wh/kg에서 최근에는 400Wh/kg으로 2030년에는 1,000Wh/kg을 목표로 개발에 박차를 가하고 있습니다. 하지만 여전히 화석연료의 에너지밀도를 따라가기에는 역부족인 것은 사실입니다. 현재까지 16배의 차이를 보여줍니다.

 

그래서 전기차의 경우 에너지밀도를 높이기 위해 차량 대부분을 배터리로 용적률을 높일 수 밖에 없습니다. 리튬이 많이 들어갈수록 에너지밀도가 높아지는 것은 당연합니다. 

 

 

 

그러나 리튬은 희귀한 금속이다

리튬은 '백색황금'이라고 불릴 정도로 희귀한 금속입니다. 지표면에서 발견된 비율이 전체 광물 중 0.006%밖에 되지 않습니다. 

 

친환경 에너지의 수요가 높아짐에 따라 리튬관련 배터리의 수요도 높아지고 있습니다. 가전, 스마트폰은 물론이고 전기차의 보급으로 세계적으로 배터리 보급에 사활을 걸고 있습니다. 하지만 유한한 리튬의 문제를 해결하기 위해 각국은 리튬찾기에 열을 올리고 있습니다. 주로 남미에 60%이상 매장되어 있습니다만 최근 우리나라에서는 호주와 생산체결을 맺기도 했습니다.

 

부족한 리튬을 보충하기 위해서 바다에 녹아 있는 리튬을 추출하기 위한 기술도 개발되고 있으며, 기존 폐배터리에서 리튬을 재활용하기 위한 기술도 박차를 가하고 있습니다. 

 

다른 금속은 안되는가

대표적으로 니켈이 있습니다. 니켈에 대해서는 추후에 필자가 다시 정리하도록 하겠습니다. 결국 에너지밀도가 높은 금속을 찾아내는 것이 관건인데 원소주기율표 상 같은 1족 원소인 나트륨과 칼륨, 그리고 나트륨 옆의 2족 원소인 마그네슘의 연구가 활발하게 진행되고 있습니다.

 

리튬과 니켈은 현재 안정적으로 활용되는 소재이나 그 자원이 아주 유한하므로 반드시 대체되는 금속의 연구가 진행되어야 할 것입니다. 이미 연구계에서도 그 필요성을 인지하고 있으며 각국에서는 배터리 사업에 각종 지원을 아끼지 않고 총력을 기울이고 있습니다. 현재 우리나라도 경쟁력있는 배터리를 생산하는 나라 중의 하나이며 미래 먹거리 산업으로 반도체와 함께 각광받고 있으므로 우리도 관심을 기울이고 응원해야겠습니다.