[알쓸광잡] 리튬, 너는 왜 ‘하얀 석유’

[이뉴스투데이 김덕형 기자] 최근 뜨거운 감자는 이차전지다. 매일 배터리 이야기가 신문을 장식하고 있지만 우리에게 여전히 ‘리튬’은 생소하다.

특히 리튬은 이차전지인 리튬이온배터리의 핵심 소재로 주목받고 있다. 리튬이온배터리는 우리 주변에서 이미 많이 사용되고 있다.

항상 우리 몸에서 떨어지지 않는 스마트폰과 태블릿PC, 노트북은 물론 이제는 거리에서 쉽게 볼 수 있는 무선 이어폰과 같은 코드리스(codeless) 사회로의 변화에 리튬이온배터리 역할이 컸다.

리튬이온배터리는 질량과 부피 대비 에너지 밀도가 매우 높고 고속 충전에 유리하다는 장점을 가지고 있기 때문이다.

이 같은 리튬이온배터리의 4대 구성 요소인 양극재와 음극재, 전해질과 분리막 중 양극재에 사용되는 소재가 바로 리튬이다.

리튬은 원자번호 3번의 원소로 원소기호는 ‘Li’로 쓴다. 은백색을 띠며 금속 중에서 가장 가볍고 고체 원소 중에서는 밀도가 가장 낮다. 

리튬의 대표적 성질은 사람이 칼로 자를 수 있을 정도로 무른 금속이란 점이다. 다른 알칼리 금속과 마찬가지로 산소나 물에 잘 반응하기 때문에 자연 상태에서는 화합물로만 존재한다.

일반적으로 파라핀과 같은 기름 속에 보관하는데, 그 이유는 물과 접촉 시 격렬한 화학 반응을 일으키기 때문이다.

지난 1817년 리튬을 처음 발견한 사람은 스웨덴의 화학자 요한 아르프베드손(Johan August Arfwedson)이다.

그는 광물의 일종인 페탈라이트(엽장석)에 대한 화학 분석을 하던 중 물속에 집어넣으면 부글부글 끓어오르다 폭발하는 독특한 성질을 갖는 원소를 발견했다.

이 새로운 알칼리 금속 원소는 광물에서 발견됐기 때문에 돌, 암석을 뜻하는 그리스어 리토스(Lithos)에서 따와 리튬(Lithium)으로 이름 지어졌다.

그 당시에는 이 원소를 제대로 분리할 수 있는 전기분해장치가 없어 분리에는 실패했으나, 이후 1818년 영국의 화학자인 험프리 데이비(Humphry Davy)가 처음으로 순수한 리튬 원소 추출에 성공하게 됐다.

한편, 리튬의 가치는 지금 가장 빛나고 있다.

점차 전기차 시대에 돌입하면서 귀한 대접을 받게 된 것이다. 동시에 전 세계적으로 리튬을 구하기 위한 노력이 커져 매년 알려진 매장량이 늘어나고 있다.

현재 알려진 주요 리튬 생산국은 호주, 중국, 미국, 칠레, 브라질, 아르헨티나, 볼리비아 등이다. 그 가운데 남미가 리튬 생산의 중추로 세계 리튬 매장량 60%가 남미에 위치한 것으로 알려졌다.

하지만 전기차 시장이 커질수록 더 주목받는 리튬은 따로 있다. 리튬의 한 종류인 ‘수산화리튬(Lithium Hydroxide)’이 바로 그 주인공이다.

사실 리튬에는 여러 종류가 있다. 그중에서 이차전지 제조에 사용되는 건 탄산리튬(Lithium Carbonate)과 수산화리튬이다.

탄산리튬은 노트북, IT 제품 등 소형 전자기기 배터리에 주로 사용되고, 수산화리튬은 전기차와 같이 고밀도‧고용량 배터리에 주로 사용된다.

이 같은 수산화리튬이 전기차 배터리 제조에 적합한 이유는 배터리 양극재의 핵심 소재인 니켈과 합성이 쉽다는 특징을 갖고 있기 때문이다.

일반적으로 배터리에서 니켈의 비중이 커질수록 에너지 밀도가 높아진다. 최근 하이니켈 배터리의 인기가 높아지는 이유다. 동시에 수산화리튬에 대한 수요가 함께 커지고 있는 이유이기도 하다.