리튬 배터리는 노트북과 휴대폰에 전력을 공급하며, 배터리 에너지 저장 시스템에 사용되고, 전기 자동차(EV)에서 가장 일반적인 배터리 기술입니다. 따라서 리튬에 대한 수요는 계속 증가할 것입니다. 2025년 1분기 미국 내 전기차 판매량은 11.4% 증가했으며, IEA는 2022년에서 2023년 사이에 리튬 배터리 수요가 30% 증가했다고 추정합니다.
전기차와 배터리 에너지 저장장치는 온실가스 배출을 줄이는 중요한 구성 요소이므로 이러한 성장은 고무적입니다. 그러나 리튬에 대한 수요가 증가함에 따라 공급 문제는 더욱 심각해질 것입니다. 육상 자원의 전 세계 리튬 매장량은 약 2,200만 톤으로 추정되며, 특히 남미 여러 국가와 중국의 고급 염수, 호주의 경암 광산 등 소수의 지역에서만 고농도의 리튬을 얻을 수 있습니다.
수요가 증가함에 따라 공급이 문제가 될 수 있을 뿐만 아니라, 리튬을 추출하는 과정에도 어려움이 있습니다. 염수에서 리튬을 추출하려면 태양 증발과 화학적 침전이 필요한데, 이 과정은 시간이 많이 걸리고 지역 생태계와 수자원 공급에 변화를 가져올 수 있습니다. 또한 경암 채굴은 환경에 영향을 미치며 화학 물질 사용량과 물 소비량이 높습니다.
이러한 도전에 맞서기 위해 연구자들은 궁극적으로 해수에서 리튬을 추출하는 것을 목표로 리튬을 추출하는 새로운 방법을 모색하고 있습니다. 바다에는 약 2,000억 톤의 리튬이 존재하며, 이는 거의 무한대에 가까운 공급량이지만 농도는 180ppm으로 매우 낮고 나트륨과 같은 다른 이온에 둘러싸여 있습니다.
이러한 해양 기반 공급원에 접근하기 위해 추출을 개선하려면 어떻게 해야 할까요? 담수화에 사용되는 기술을 용도 변경하고 정제함으로써 염수에서 리튬 추출을 개선하여 궁극적으로 해수까지 확장할 수 있습니다.
직접 리튬 추출로 새로운 가능성 열기
직접 리튬 추출(DLE)은 염수, 특히 유전 및 가스전의 염수, 지열 염수, 소금 호수에서 리튬 이온을 효율적으로 포집하는 것을 목표로 합니다. 이 과정을 수행하는 여러 방법이 있으며, 대부분은 담수화 및 폐수 처리를 위한 기존 기술에서 채택되었습니다. 이러한 기술이 어떻게 변화하고 있는지 더 잘 이해하기 위해 사람이 큐레이션한 최대 규모의 과학 정보 모음인 CAS 컨텐츠 컬렉션TM을 분석한 결과, 최근 몇 년간 DLE와 관련된 간행물이 빠른 속도로 증가하고 있음을 발견했습니다(그림 1 참조). 지난 2년 동안 가파른 성장세를 보였으며, 2025년 첫 두 달 만에 간행 건수가 2024년 전체 간행 건수의 3분의 1에 달했습니다.
전체 간행물의 절반이 특허라는 사실은 이러한 기술에 대한 상업적 관심이 높다는 것을 나타냅니다. 리튬 전지 수요 증가를 고려할 때, 이는 타당한 결과입니다. DLE는 현재의 추출 방법에 비해 물과 화학 물질의 소비가 적고, 환경에 미치는 영향이 최소화되며, 회수율이 높고, 추출 속도가 빠르며, 잠재적으로 비용이 절감되는 등 많은 장점을 가지고 있습니다.
그러나 염수마다 리튬, 기타 원소 및 이온, 총 용존 고형물 함량이 다르기 때문에 한 가지 방법이 모든 상황에 효과적일 수는 없습니다. DLE와 관련된 증가하는 기술 문헌에서 여러 기술이 조사되고 있으며, 각각 고유한 장점과 단점을 가지고 있습니다.
직접 리튬 추출의 유형
염수 및 잠재적으로 해수와 함께 사용할 수 있는 DLE에는 5가지 유형이 있습니다.
- 흡착: 알루미늄 기반 재료와의 흡착은 현재 상용화된 유일한 DLE 기술입니다. CAS 콘텐츠 컬렉션에서 DLE 관련 문헌의 개념을 분석했을 때, '흡착'과 '흡착제'가 가장 많이 보고된 개념 중 하나였습니다(그림 2 참조). 이는 이 방법이 얼마나 널리 연구되고 있는지를 보여줍니다. 이 과정은 흡착제가 리튬을 선택적으로 결합한 후, 다른 솔루션을 사용하여 탈착하는 방식으로 작동합니다. 이 공정에 사용되는 재료의 예로는 탄소, 제올라이트, 금속-유기 프레임워크, 층상 이중 수산화물이 있습니다. 흡착의 장점은 높은 리튬 흡수 가능성과 낮은 에너지 소비입니다. 그러나 연구자들이 지적한 것처럼, 최고 기술 준비 수준(TRL)에 도달하려면 흡착은 최소 리튬 함량 >100mg/L, 50℃ 내외의 높은 염수 온도, 충분히 높은 염도가 필요합니다.
- 이온 교환: 이 과정은 흡착제 내부에서 동일한 전하를 가진 다른 이온과 리튬 이온을 교환하는 과정이 포함됩니다. 흡착과 마찬가지로 이 과정 역시 리튬 흡수 능력이 높습니다. 그러나 산성 용액은 삽입 재료와 함께 사용되며, 이러한 재료는 산으로 인해 불안정해지거나 성능이 저하될 수 있습니다. 삽입 재료에는 망간과 티타늄이 포함됩니다.
- 용매 추출: 이 방법은 유기상과 수성 상 사이의 리튬의 분배 계수 차이에 기반하여 리튬을 분리하는 데 의존합니다. 용매 추출은 복합 염수에 효과적이지만 등유나 메틸 이소부틸 케톤을 사용하여 화재 위험을 증가시킵니다. 이 기술에는 첨가제 및 용제 사용과 관련된 환경 문제도 있습니다.
- 멤브레인: 반투과성 멤브레인은 염수에서 리튬 이온 및 기타 염분을 선택적으로 걸러내는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 멤브레인은 폴리아미드, NASICON 기반 재료 또는 역삼투 멤브레인일 수 있습니다. 이 과정은 비교적 간단하고 환경 친화적이며, 높은 에너지 사용을 필요로 하지 않습니다. 그러나 이 방법은 고농도 염수에 대한 전처리가 필요하므로 모든 응용 부문에 효율적이지 않습니다.
- 전기화학: 이 과정은 아직 응용 연구 단계에 있지만, 유망한 가능성을 보여주고 있습니다. 이는 리튬 삽입 재료를 추출용 전극으로 사용하는 과정이 포함되며 리튬 이온 배터리 침출수에 적용되어 버려질 수 있는 재료를 재활용할 수 있습니다. 연구자들은 높은 리튬 선택성, 짧은 반응 시간, 낮은 에너지 소비에 주목했습니다. 한 연구에 따르면 리튬 망간 산화물과 활성탄 전극은 성능 저하 없이 재사용이 가능한 것으로 나타났습니다. 리튬 니켈 망간 산화물(LNMO)과 리튬 철 인산염(LFP)도 잠재적인 전극 재료입니다. 이 과정은 상용화 준비가 되기 전에 여전히 개선이 필요하지만, 스탠포드가 주도한 연구에서 캘리포니아 하프 문 베이의 해수에서 사용되어 긍정적인 결과를 보였습니다.
또한 DLE와 관련된 국제 특허 분류(IPC) 코드를 평가하여 연구 환경을 분석했습니다. 대부분의 특허는 "화학, 야금" 및 "작업 수행"의 IPC 섹션에 속합니다. 이 분석에서 가장 상위의 DLE 방법은 당사의 개념 분석과 일치했는데, 흡착이 선두를 차지했고 그다음으로 멤브레인 기반 기술이 뒤를 이었습니다(그림 3 참조).
해수에서 리튬을 추출하기 위한 도전 과제
대규모로 해수에서 리튬을 효율적으로 추출하려면 먼저 이러한 방법을 사용 가능한 염수로 정제하고 저농도의 해수에서 대량의 리튬을 추출할 수 있을 정도로 개선해야 합니다. 이러한 추출 방법은 현재 태양 증발과 같은 방법보다 비용이 더 많이 들기 때문에 이 과정에는 비용 등의 장애물이 있습니다. 또한 이러한 기술이 경제적으로 실현 가능하려면 리튬 가격이 안정적으로 유지되어야 합니다.
확장성은 또 다른 도전 과제입니다. 이러한 추출 방법은 대규모로 사용할 수 있어야 할 뿐만 아니라 다양한 유형의 염수에 하나 이상의 방법을 사용하여 사용 가능한 모든 수성 자원에 접근할 수 있도록 하는 것이 이상적입니다. 이러한 유형의 개선을 통해 DLE 기술을 해수로 확장하여 미래의 리튬 부족을 방지할 수 있을 것입니다.
이는 중요한 과제이지만, 리튬 배터리가 자동차 및 개인용 기기에 더욱 보편화됨에 따라 돌파구를 찾으려는 원동력이 더 많은 연구와 더 나은 기술을 이끌어낼 것입니다.
