리튬 추출을 간단하게 하기 위한 고체 전해질막
- 기술 / 문광주 기자 / 2025-03-05 14:23:25
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- 지금까지 리튬은 주로 남아메리카의 소금호수에서 추출
- 리튬이 함유된 염수에는 Na. Mg과 같은 다른 염의 이온이 많이 포함돼, 기존 추출 방법을 사용해 리튬에서 분리하기 어렵다.
- 새로운 분리 보조제: 고체 전지의 전해질막:이동성 격자 결함을 사용하여 막을 통해 양전하 리튬 양이온을 전달하는 결정질 화합물로 구성
알칼리 금속 리튬은 휴대폰에서 전기 자동차에 이르기까지 거의 모든 모바일 기술에 사용되는 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소다. 전 세계적으로 수요가 많은 원자재다. 지금까지 이 금속은 주로 남아메리카의 소금호수에서 추출되었다. 현재까지 원자재는 태양열을 이용한 복잡한 결정화를 통하나, 리튬이 특수 화합물에 선택적으로 흡수되는 화학적 분리 공정을 통해 추출되었다.
"현재 집중적으로 연구되고 있는 이러한 방법은 리튬의 사전 농축을 요구하고 선택성이 제한적이다"고 텍사스 라이스 대학의 소훔 파텔과 그의 동료들이 설명했다. 특히 리튬이 함유된 염수에는 나트륨, 마그네슘과 같은 다른 염의 이온이 많이 포함되어 있는데, 이는 기존 추출 방법을 사용해 리튬에서 분리하기 어렵다.
새로운 분리 보조제: 고체 전지의 전해질막
파텔과 그의 팀은 이제 예상치 못한 곳에서 더 나은 방법을 발견했을지도 모른다. 그들이 추출 보조제로 사용하는 물질은 고체 전지, 즉 전해질이 액체가 아닌 고체인 전지의 핵심 구성 요소다. 이러한 고체 전해질은 일반적으로 이동성 격자 결함을 사용하여 막을 통해 양전하 리튬 양이온을 전달하는 결정질 화합물로 구성된다. 배터리의 전기장이 이러한 수송에 필요한 에너지를 제공한다.
이제 이러한 전해질막이 배터리에서 리튬을 효과적으로 운반할 뿐만 아니라 수용액에서 원료를 효율적으로 걸러낼 수도 있다는 것이 분명해졌다. 파텔과 그의 동료들은 NASICOM 유형의 상업용 고체 전해질을 사용하여 이를 테스트했다. 이는 일부 리튬 원자가 게르마늄, 알루미늄 또는 실리콘으로 대체된 리튬 티타늄 인산화물(LiTi2(PO4)3)로 구성된다.
실험에서 연구팀은 10m㏖(밀리몰)의 염화리튬을 함유한 용액을 사용했다. 이는 현재 수익성 있는 리튬 추출을 위한 최소치로 간주된다. 또한 시험 용액에는 염화나트륨, 염화마그네슘 등 다른 염이 다양한 수준으로 포함되어 있었다. 추출하는 동안 4Volt의 전압이 필요한 전기 에너지를 제공했다.
매우 선택적인 분리
다른 이온이 많이 혼합되어 있어도 고체 전해질은 용액에서 리튬을 매우 선택적으로 분리한다는 사실이 밝혀졌다. 즉, 결정 격자가 리튬 이온은 통과시키지만 물, 나트륨, 마그네슘은 차단한다는 것이다. 라이스 대학의 수석 저자인 메나헴 엘리멜렉은 "격자는 리튬만 통과시키는 분자체처럼 작용한다"며. "고체 전해질막을 독특하게 만드는 것은 크기와 전하 선택성의 조합이다"고 설명했다.
추가 분석 결과, 물 분자와 비교적 큰 나트륨 이온은 전해질 격자 구조의 틈을 통과할 수 없다는 것이 밝혀졌다. 마그네슘은 크기 면에서는 적합하나, 리튬과는 달리 이중 음전하를 띠고 있어 막혀 있다. Patel은 "모든 농도에서 나트륨이나 마그네슘 플럭스가 감지되지 않아 리튬에 대한 이상적인 선택성을 입증했다"고 보고했다. 따라서 전해질막은 이온 선택성 측면에서 전례 없는 성능을 보여준다.
더욱 환경친화적인 리튬 추출의 기회
연구자들에 따르면, 이 기술은 이전보다 더 쉽고 경제적으로 염수에서 리튬을 분리할 수 있는 새로운 기회를 열어준다고 한다. Patel은 "고체 전해질 기반 접근 방식의 극도의 선택성으로 인해 리튬을 추출하는 매우 효율적인 방법이 되었다"고 말했다. "에너지는 원하는 리튬 이온을 막을 통해 전달하는 데만 필요하다." 게다가 이전에 필요했던 소금의 결정화와 정제 단계도 더 필요하지 않다.
Patel은 "고체 전해질을 전기투석 시스템에 통합함으로써 광범위한 수용액에서 직접 리튬을 추출할 수 있게 되었다"고 덧붙였다. "이것은 리튬 추출의 환경적 발자국을 크게 줄이고 공정을 더 효율적으로 만들 것이다." 이 기술은 남미의 소금호수에서 리튬을 추출하는 데 사용될 수도 있고, 독일 라인강 상류의 지열 지대에서 리튬을 추출하는 데에도 사용될 수 있다.
연구자들이 인정했듯이, 이러한 일이 일어나기 전에 추가 테스트가 필요하다. 여전히 한 가지 문제가 있다. 나트륨과 마그네슘과 같은 원치 않는 이온의 농도가 매우 높으면 막을 통한 원하는 리튬 이온의 운반이 감소한다. 아마도 막힌 이온이 통과를 방해하기 때문일 것이다. 그러나 파텔과 그의 팀은 더 강한 전기장, 더 얇은 막, 더 많은 용액 유입 등을 사용하면 이 문제가 해결될 수 있다고 믿고 있다.
(Science Advances, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adq9823)
출처: Rice University, Science Advances
- 지금까지 리튬은 주로 남아메리카의 소금호수에서 추출
- 리튬이 함유된 염수에는 Na. Mg과 같은 다른 염의 이온이 많이 포함돼, 기존 추출 방법을 사용해 리튬에서 분리하기 어렵다.
- 새로운 분리 보조제: 고체 전지의 전해질막:이동성 격자 결함을 사용하여 막을 통해 양전하 리튬 양이온을 전달하는 결정질 화합물로 구성
리튬 추출을 간단하게 하기 위한 고체 전해질막
고체 전지의 전해질은 매우 선택적인 추출 보조제임이 입증돼
원자재 추출을 위한 터보? 고체 전지로 만든 부품을 사용하면 리튬 추출이 더 쉽고 에너지 효율이 높아질 수 있다. 실험 결과, 이러한 배터리의 전해질막은 놀라울 정도로 효율적으로 수용액에서 리튬을 걸러내는 것으로 나타났다. 고체 전해질은 또한 매우 선택적이며 용액에 나트륨이나 마그네슘과 같은 다른 이온이 존재하는 경우에도 작동한다. 연구자들이 "Science Advances"에 보고한 바에 따르면, 이를 통해 염수에서 리튬을 추출하는 것이 용이해질 수 있다.
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| ▲ 리튬은 배터리를 포함하여 전 세계적으로 수요가 많은 원자재다. 새로운 추출 방법을 사용하면 리튬 추출이 더욱 간단해질 수 있다. |
알칼리 금속 리튬은 휴대폰에서 전기 자동차에 이르기까지 거의 모든 모바일 기술에 사용되는 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소다. 전 세계적으로 수요가 많은 원자재다. 지금까지 이 금속은 주로 남아메리카의 소금호수에서 추출되었다. 현재까지 원자재는 태양열을 이용한 복잡한 결정화를 통하나, 리튬이 특수 화합물에 선택적으로 흡수되는 화학적 분리 공정을 통해 추출되었다.
"현재 집중적으로 연구되고 있는 이러한 방법은 리튬의 사전 농축을 요구하고 선택성이 제한적이다"고 텍사스 라이스 대학의 소훔 파텔과 그의 동료들이 설명했다. 특히 리튬이 함유된 염수에는 나트륨, 마그네슘과 같은 다른 염의 이온이 많이 포함되어 있는데, 이는 기존 추출 방법을 사용해 리튬에서 분리하기 어렵다.
새로운 분리 보조제: 고체 전지의 전해질막
파텔과 그의 팀은 이제 예상치 못한 곳에서 더 나은 방법을 발견했을지도 모른다. 그들이 추출 보조제로 사용하는 물질은 고체 전지, 즉 전해질이 액체가 아닌 고체인 전지의 핵심 구성 요소다. 이러한 고체 전해질은 일반적으로 이동성 격자 결함을 사용하여 막을 통해 양전하 리튬 양이온을 전달하는 결정질 화합물로 구성된다. 배터리의 전기장이 이러한 수송에 필요한 에너지를 제공한다.
이제 이러한 전해질막이 배터리에서 리튬을 효과적으로 운반할 뿐만 아니라 수용액에서 원료를 효율적으로 걸러낼 수도 있다는 것이 분명해졌다. 파텔과 그의 동료들은 NASICOM 유형의 상업용 고체 전해질을 사용하여 이를 테스트했다. 이는 일부 리튬 원자가 게르마늄, 알루미늄 또는 실리콘으로 대체된 리튬 티타늄 인산화물(LiTi2(PO4)3)로 구성된다.
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| ▲ SSE에서 이온과 물 이동에 대한 조사. (A) VESTA(70)에서 시각화한 이 연구 전반에 사용된 NASICON 유사 SSE 재료의 결정 격자. 능면체 단위 셀은 티타늄, 게르마늄, 알루미늄 또는 실리콘 팔면체(파란색)와 모서리를 공유하는 인산 사면체(보라색)로 구성된다. 리튬 이온은 격자 부위(녹색)에서 팔면체를 형성하지만 이온 이동 중에 덜 에너지적으로 유리한 사면체 간극 부위를 차지할 수도 있다. (B) 인가된 전기장 하에서 이온 이동을 평가하는 데 사용된 일괄 전기 투석(ED) 설정의 공정 개략도. 공급 및 수용 용액은 내부 흐름 채널을 통해 SSE[또는 양이온 교환 막(CEM)]를 가로질러 흐르는 반면 외부 흐름 채널은 전극 세척 구획 역할을 한다. 공급 및 수용 용액은 유압적으로 분리된 상태로 유지되는 반면 단일 전극 세척 용액은 두 전극 세척 챔버를 통해 재순환되었다. (출처:관련논문 Approaching infinite selectivity in membrane-based aqueous lithium extraction via solid-state ion transport / Science Advances 28 Feb 2025 Vol 11, Issue 9) |
실험에서 연구팀은 10m㏖(밀리몰)의 염화리튬을 함유한 용액을 사용했다. 이는 현재 수익성 있는 리튬 추출을 위한 최소치로 간주된다. 또한 시험 용액에는 염화나트륨, 염화마그네슘 등 다른 염이 다양한 수준으로 포함되어 있었다. 추출하는 동안 4Volt의 전압이 필요한 전기 에너지를 제공했다.
매우 선택적인 분리
다른 이온이 많이 혼합되어 있어도 고체 전해질은 용액에서 리튬을 매우 선택적으로 분리한다는 사실이 밝혀졌다. 즉, 결정 격자가 리튬 이온은 통과시키지만 물, 나트륨, 마그네슘은 차단한다는 것이다. 라이스 대학의 수석 저자인 메나헴 엘리멜렉은 "격자는 리튬만 통과시키는 분자체처럼 작용한다"며. "고체 전해질막을 독특하게 만드는 것은 크기와 전하 선택성의 조합이다"고 설명했다.
추가 분석 결과, 물 분자와 비교적 큰 나트륨 이온은 전해질 격자 구조의 틈을 통과할 수 없다는 것이 밝혀졌다. 마그네슘은 크기 면에서는 적합하나, 리튬과는 달리 이중 음전하를 띠고 있어 막혀 있다. Patel은 "모든 농도에서 나트륨이나 마그네슘 플럭스가 감지되지 않아 리튬에 대한 이상적인 선택성을 입증했다"고 보고했다. 따라서 전해질막은 이온 선택성 측면에서 전례 없는 성능을 보여준다.
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| ▲ SSE의 이온-이온 선택성 메커니즘 설명. (A) 분석된 세 시스템 각각에 대한 시뮬레이션 기간이 끝날 때 캡처한 분자 동역학 스냅샷. 각 시뮬레이션 상자에서 LiTi2(PO4)3 멤브레인을 두 수용액 사이에 두었다. 시뮬레이션은 오른쪽 용액에 염화칼륨(표시되지 않음)을 포함하는 반면 왼쪽 용액에는 리튬과 경쟁 이온이 포함된 상태로 초기화되었다. 각 시스템은 처음에 왼쪽 용액에 같은 수의 리튬 이온(녹색 구형)을 포함했다. 시스템 [(A), i]에서 왼쪽 용액에는 염화리튬만 있는 반면, [(A), ii]와 [(A), iii]에서는 리튬 이온의 수가 각각 나트륨 이온(노란색 구형)과 마그네슘 이온(주황색 구형)과 같은 양으로 일치했다. (B) 다양한 직경의 구형 프로브(dprobe)로 수행한 PoreBlazer 시뮬레이션의 시각화. LiTi2(PO4)3 단위 셀은 프로브에 접근 가능한 위치를 나타내는 분홍색 구체로 중첩되어 있다. LiTi2(PO4)3 격자의 색상 코딩은 그림 1A에 표시된 것과 동일하다. (C) 10 mM NaCl과 10 mM LiCl 공급수를 사용한 48시간 실험에 사용한 후 SSE 단면의 주사 전자 현미경-에너지 분산 X선 분광법(SEM-EDS) 이미지. 나트륨(빨간색), 실리콘(보라색), 게르마늄(청록색) 및 산소(파란색)의 원소 맵이 별도의 패널에 표시. © Patel et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0 |
더욱 환경친화적인 리튬 추출의 기회
연구자들에 따르면, 이 기술은 이전보다 더 쉽고 경제적으로 염수에서 리튬을 분리할 수 있는 새로운 기회를 열어준다고 한다. Patel은 "고체 전해질 기반 접근 방식의 극도의 선택성으로 인해 리튬을 추출하는 매우 효율적인 방법이 되었다"고 말했다. "에너지는 원하는 리튬 이온을 막을 통해 전달하는 데만 필요하다." 게다가 이전에 필요했던 소금의 결정화와 정제 단계도 더 필요하지 않다.
Patel은 "고체 전해질을 전기투석 시스템에 통합함으로써 광범위한 수용액에서 직접 리튬을 추출할 수 있게 되었다"고 덧붙였다. "이것은 리튬 추출의 환경적 발자국을 크게 줄이고 공정을 더 효율적으로 만들 것이다." 이 기술은 남미의 소금호수에서 리튬을 추출하는 데 사용될 수도 있고, 독일 라인강 상류의 지열 지대에서 리튬을 추출하는 데에도 사용될 수 있다.
연구자들이 인정했듯이, 이러한 일이 일어나기 전에 추가 테스트가 필요하다. 여전히 한 가지 문제가 있다. 나트륨과 마그네슘과 같은 원치 않는 이온의 농도가 매우 높으면 막을 통한 원하는 리튬 이온의 운반이 감소한다. 아마도 막힌 이온이 통과를 방해하기 때문일 것이다. 그러나 파텔과 그의 팀은 더 강한 전기장, 더 얇은 막, 더 많은 용액 유입 등을 사용하면 이 문제가 해결될 수 있다고 믿고 있다.
(Science Advances, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adq9823)
출처: Rice University, Science Advances
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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