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- 현재까지 산업용 리튬 화합물의 상당 부분은 비교적 저렴하게 남미의 염호에서 생산
- 리튬, 알루미늄, 규산염을 리튬 함유 광물인 스포듀민에서 거의 완벽하게 추출
- 리튬 탄산염 환산 톤당 약 3,900달러까지 비용 절감
- 현재 광석 처리 방식보다 56%, 고농도 염수에서 리튬을 추출하는 방식보다 20% 저렴
- 열과 폐수 없이 리튬 추출

광석에서 리튬 추출이 더 쉽고 저렴해진다.

새로운 공정으로 단단한 암석에서 리튬을 추출하는 것이 더 저렴하고 간단하며 환경 친화적이게 되었다. 기존의 열과 강산 또는 강알칼리 대신, 이 방법은 불화암모늄 수용액과 상온만 있으면 된다. 연구진은 "사이언스(Science)"지에 발표한 논문에서 리튬, 알루미늄, 규산염을 리튬 함유 광물인 스포듀민에서 거의 완벽하게 추출할 수 있으며, 심지어 용매까지 재활용할 수 있다고 밝혔다. 이 기술은 유럽에서도 리튬 추출의 수익성을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 

리튬은 알칼리 금속으로 리튬 이온 배터리의 주성분이기 때문에 많은 기술에 필수적인 원료다. 그러나 전기차 보급 확대로 전 세계 수요가 급증하면서 이 귀중한 자원은 점점 더 희소해지고 있다. 현재까지 산업용 리튬 화합물의 상당 부분은 비교적 저렴하게 리튬을 추출할 수 있는 남미의 염호에서 생산된다. 하지만 이러한 추출 과정은 심각한 환경적, 사회적 문제를 야기한다.

또 다른 리튬 공급원은 스포듀민과 같은 리튬 함유 광석이다. "이러한 암석은 거의 모든 곳에서 발견될 수 있다는 것이 가장 큰 장점이다"고 매사추세츠 공과대학(MIT)의 공동 저자인 캠든 헌트는 설명했다. 이러한 광석 매장지는 호주, 북미, 아프리카뿐 아니라 유럽에도 존재한다. 예를 들어 독일에서는 오레 산맥에서 리튬 함유 암석을 찾을 수 있다.

열과 폐수 없이 리튬 추출

광석에서 리튬을 추출하는 과정은 복잡하고 염호에서 리튬을 추출하는 것보다 2~3배 더 비싸다. 암석을 약 1천도까지 가열하고 강산으로 처리한 다음 중화해야 한다. 연구진에 따르면 이 과정은 막대한 에너지를 소모하고 높은 이산화탄소 배출량을 발생시키며, 다량의 산성 또는 강알칼리성 폐수를 남긴다. 이러한 어려움 때문에 현재 리튬 함유 광석의 상당 부분이 중국에서 처리되고 있지만, 정치적 갈등과 잠재적인 공급 부족으로 인해 문제가 되고 있다.

하지만, MIT의 벤자민 모브레이 교수와 그의 동료들이 개발한 새로운 공정이 있다. 이 공정은 고온이나 유해한 폐수 발생 없이 스포듀멘에서 배터리 및 기타 용도에 필요한 리튬 화합물을 추출할 수 있도록 설계되었다. 리튬 추출뿐 아니라, 이 공정은 원료인 알루미늄과 규산염을 광석에서 분리하고 폐석 발생량을 최소화한다. 연구팀은 "이 공정의 핵심은 반응 용액과 사용된 물을 회수할 수 있다는 점"이라고 강조했다.

기존 공정의 역발상

새로운 공정은 기존 공정과 정반대의 방식으로 작동한다. 기존 공정은 스포듀멘의 규산염 골격에서 원하는 금속을 선택적으로 용해시키는데, 이는 규산염 내 실리콘과 산소 사이의 화학 결합이 약하기 때문이다. 모브레이 연구팀은 이러한 원리를 뒤집어 "우리 공정은 스포듀멘의 알루미노규산염 매트릭스를 용해시켜 리튬, 알루미늄, 실리콘을 불소화염 형태로 방출한다"고 설명했다.

이는 암모늄 수소 이불화물(NH₄HF₂)이라는 염 덕분에 가능하다. 연구진에 따르면, 이 염은 수용액 상태에서 상온에서도 규산염의 안정적인 결합을 끊고 광석에 함유된 금속과 반응할 수 있다. 그 결과 리튬 불화물(LiF), 암모늄 크라이올라이트(NH₄)₃AlF₆, 암모늄 헥사플루오로규산염(NH₄)₂SiF₆와 같은 금속 함유 불소염이 생성된다. 이러한 염들은 간단한 방법으로 분리하거나 여과를 통해 직접 분리할 수 있다.

폐쇄 루프 시스템에서 효율적인 원료 회수

초기 실험에서 연구팀은 이 방법을 사용하여 스포듀멘에 함유된 리튬의 99% 이상을 추출할 수 있었다. 48시간 후에는 고온 가열이나 기타 복잡한 공정 없이도 추출률이 100%에 도달했다. 모브레이와 그의 연구팀은 "불화리튬은 여과하고 재결정화하여 정제한 후 아황산을 사용하여 탈불소화하고 수산화리튬이나 탄산리튬으로 전환할 수 있다"고 설명했다. 이러한 리튬 화합물은 리튬 이온 배터리의 원료다.

초기 실험에서 연구팀은 이 방법을 사용하여 스포듀멘에 함유된 리튬의 99% 이상을 추출할 수 있었다. 뿐만 아니라 스포듀멘에서 다른 유용한 원료도 추출했다. 크라이올라이트 암모늄은 여러 단계를 거쳐 산화알루미늄으로 전환할 수 있으며, 여기서 알루미늄을 추출할 수 있다. 또한, 육불화규산암모늄으로부터 부산물로 이산화규소를 생산할 수 있다. 연구진은 "이를 위해 필요한 첨가제는 불화암모늄, 질산, 그리고 물뿐"이라고 밝혔다. 특히, 고온 가열을 이용하는 기존 방식과는 달리, 이 공정은 불화수소암모늄에서 독성 물질인 불화수소를 방출하지 않는다는 점을 강조했다.

또 다른 장점은 공정에 사용되는 물과 불화수소암모늄을 거의 완벽하게 회수할 수 있다는 점이다. 이는 거의 완벽한 순환 시스템을 구축하는 것과 같다. 연구진은 "리튬 추출 후 남은 불화암모늄 용액(NH4F)을 가열하고 공정 중에 방출된 암모니아 가스를 다시 주입하여 불화수소암모늄을 재생성한다"고 설명하며, "이러한 재활용 사이클을 5회 반복하여 검증했다"고 덧붙였다.

"가장 에너지 효율적이고 비용 효율적인 리튬 추출 방법"

하지만 중요한 질문은 전체 공정 비용이 얼마나 드는가이다. 기존 방식과 경쟁력이 있을까? 모브레이 연구팀은 기술경제성 모델 분석을 통해 이를 조사했다. 그 결과, "탄산리튬 환산량 1톤당 총 생산 비용은 5,160달러로, 스포듀멘을 이용한 기존 추출 방식의 절반 수준이다"고 연구진은 밝혔다. 암석에서 리튬을 추출하는 비용은 염호에서 추출하는 비용과 거의 차이가 나지 않을 것이다.

부산물의 가치까지 고려하면, 이 방법은 리튬 탄산염 환산 톤당 약 3,900달러까지 비용을 절감할 수 있다. 이는 현재 광석 처리 방식보다 56%, 고농도 염수에서 리튬을 추출하는 방식보다 20% 저렴한 수치라고 연구팀은 밝혔다. MIT의 예트밍 치앙(Yet-Ming Chiang) 수석 저자는 "이 방법이 광석뿐 아니라 모든 물질에서 리튬을 추출하는 가장 에너지 효율적이고 비용 효율적인 방법이라고 생각한다"고 말했다.
분산화 가능성

연구진에 따르면, 이 방법은 리튬 추출 비용을 절감하고 분산화를 실현할 수 있는 실질적인 기회를 제공한다. 이번 연구에 참여하지 않은 캘리포니아 공과대학의 강산 리(Gang San Lee)와 카르티쉬 만티람(Karthish Manthiram) 화학자도 이에 동의하며, "고온로가 필요 없어지기 때문에 대규모 플랜트가 더 이상 필요하지 않고, 기반 시설 비용도 절감된다"고 과학 저널 '사이언스'에 실린 논평에서 밝혔다.

이렇게 하면 원광석을 지구 반대편으로 운송하는 대신 광산에서 직접 스포듀민을 가공할 수 있게 된다. 또한, 소규모 매장지에서도 현장 채굴이 수익성이 높아지므로 중국의 스포듀민 가공 독점 체제가 깨질 수도 있다.

출처: Benjamin Mowbray (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA) et al., Science, 2026; doi: 10.1126/science.aec4652

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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