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- 칠레의 아타카마 사막에는 리튬이 풍부한 염수를 평원에 펼쳐진 대형 증발 연못에 주입.
- 이 과정은 최대 2년이 걸리고, 많은 양의 물이 필요
- 기존 채굴 방식으로 접근할 수 없는 지역과 자원에서 배터리 등급에 가까운 리튬 생산.
- 직접 리튬 추출 시스템에 재생 에너지를 통합하면 지속가능성과 효율성을 더욱 향상시켜

리튬 직접 추출: 더욱 지속 가능한 자원, 더욱 안정적인 공급망.

칠레의 아타카마 사막에서는 리튬이 풍부한 염수를 광활한 소금 평원에 펼쳐진 대형 증발 연못에 주입한다. 수개월에 걸쳐 태양열로 물이 증발하면서 리튬이 농축되어 정제 과정을 거친다. 이 과정은 최대 2년이 걸리고, 많은 양의 물이 필요하며, 특정 지질 조건에서만 가능하다. 전기 자동차 생산이 확대되고 탈탄소화 목표가 더욱 시급해짐에 따라, 이처럼 느리고 자원 집약적인 공정은 전 세계적인 수요를 따라잡는 데 어려움을 겪고 있다. 

▲ 직접 추출 방식의 기본 원리는 화학적 특성에 따라 다르다. 흡착제 기반 시스템은 주로 알루미늄 화합물과 같은 물질을 사용하여 리튬 이온을 선택적으로 흡착함으로써 리튬을 포집하고 나머지 염수는 다시 지하로 주입한다.

리튬 직접 추출은 이러한 격차를 줄여준다. 염수를 개방된 땅에 뿌리고 증발을 기다리는 대신, 공학적으로 설계된 시스템은 동일한 액체를 직접 처리하여, 몇 시간 만에 리튬을 추출하고 고갈된 물은 다시 지하로 되돌려 보낸다. 직접 추출 방식의 기본 원리는 화학적 특성에 따라 다르다. 흡착제 기반 시스템은 주로 알루미늄 화합물과 같은 물질을 사용하여 리튬 이온을 선택적으로 흡착함으로써 리튬을 포집하고 나머지 염수는 다시 지하로 주입한다.

막 여과는 염수를 분자체를 통과시키는 공정이다. 용매 추출은 유기 용액을 염수와 혼합해 리튬을 결합시킨 후 최종 정제 단계를 거치는 방식이다. 가장 효율적인 공정은 이러한 방법들을 순차적으로 적용하여 각 원료의 화학적 특성에 맞는 기술을 사용한다.

이러한 유연성은 속도뿐만 아니라 다른 중요한 이유에서도 중요하다. 기존의 증발 연못은 염수가 농축되어 있고 안정적인 햇빛에 노출되는 곳에서만 효과적이다. 직접 리튬 추출은 지열 유체, 유전 폐수, 그리고 궁극적으로는 배터리 재활용 공정에서 얻은 용액에도 적용 가능하므로 증발 방식으로는 접근할 수 없는 원료까지 활용할 수 있다. 또한, 직접 추출은 염수에서 더 많은 리튬을 회수할 수 있다. 증발 방식으로는 약 절반 정도를 회수할 수 있는 반면, 직접 추출은 80~95%까지 회수율을 높일 수 있으며, 회수된 리튬의 품질은 배터리 등급에 더 가깝다.

아르헨티나 푸나 지역에 위치한 에라멧(Eramet)의 센테나리오 라토네스(Centenario Ratones) 공장은 증발 연못 없이 가동되는 최초의 산업용 리튬 생산 시설이다. 2024년 첫 생산을 시작한 이 공장은 연간 2만4천 톤의 생산 능력을 갖도록 설계되었다.

이 공장은 세계에서 가장 외딴 사막 중 하나인 해발 4천 미터 고지에 위치하며, 고지대 및 대규모 환경에서도 기술이 효과적으로 작동함을 입증하는 것을 목표로 건설되었다. 센테나리오 라토네스는 이제 그 목표를 달성했다.

캘리포니아 솔턴 해(Salton Sea)에 있는 에너지소스 미네랄스(EnergySource Minerals)의 지열 발전소는 리튬 생산의 미래가 어떤 모습일지 보여주고 있다. 이 발전소는 초고온 염수에서 전기를 생산하고, 염수에서 리튬을 추출한 후 다시 지하로 되돌려 보낸다. 이 프로젝트는 2026년 2월, 상업 생산 규모 확대를 위해 14억 달러의 연방 정부 대출을 받았다. 증발 연못은 당분간 사라지지 않을 것이며, 앞으로도 수년간 전 세계 리튬 공급의 상당 부분을 차지할 것이다. 변화하는 것은 공급의 지리적 분포다.

비에라 구데*는 “기존 채굴 방식으로는 접근할 수 없는 지역과 자원에서 배터리 등급에 가까운 리튬을 생산할 수 있다. 자원 및 기술적 제약을 고려할 때, 직접 리튬 추출 시스템에 재생 에너지를 통합하면 지속가능성과 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다. 태양열을 이용한 직접 리튬 추출의 장점 중 하나는 이중 용도 운영이 가능하다는 점으로, 태양열 담수화를 통해 리튬을 회수하는 동시에 담수를 생산할 수 있다”고 말했다. (계속)
* Veera Gnaneswar Gude Director, Purdue University Northwest Water Institute (PWI); Frontier

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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