자동차 배터리 산업에서 리튬이 가진 중요성과 그 의미

안녕하세요, 행복한 부자입니다. 최근 들어서 전기 자동차에 대한 전 세계적인 관심은 날로 커지고 있습니다. 제 블로그에도 유독 전기 자동차 관련 기술에 대한 내용이 많은 것도 같은 맥락의 이유죠. 오늘은 전기자동차의 가장 중요한 구성 요소인 전기 배터리, 그중에서도 전기차 배터리의 핵심 원재료인 리튬에 대해서 살펴볼까 합니다.

[리튬이란 무엇일까?] 리튬은 누구나 한 번쯤 들어봤을 겁니다. 왜냐하면, 대한민국 고등학교를 나왔으면 누구나 한 번쯤 들어보았거나 공부해 보았을 주기율표에서 나오는 원소니까요. 화학 기호로는 ‘Li'로 쓰이죠. 이 리튬은 원소 주기율표상으로 3족에 해당하는 원소로, 지구상에서 가장 흔하고 많은 알칼리 금속 중 하나입니다. 리튬은 실제로 무색무취로, 열전도율이 높고, 질량도 가벼운 특성을 지니고 있기 때문에, 전기/ 전자 산업에서 매우 유용하고 다양하게 활용되는 물질 중의 하나입니다. 과거에는 주로 합금의 용도로, 마그네슘이나 알루미늄 등의 재료들과 함께 합금의 주요 재료로 활용되었으며, 가벼우면서 높은 열전도율을 가질 수 있게 해주었습니다. 그 외에도 이차전지의 주요 재료로도 활용되었습니다. 대표적으로는 충전식 리튬이온 배터리를 들 수 있죠. 충전해서 재활용이 가능한 특성으로, 노트북, 스마트폰 등 여러 가지 다양한 전자 기기에서 활용되었습니다. 그리고, 최근 전기 자동차의 급부상으로 인해, 전기 자동차 배터리의 핵심 재료로 활용되고 있습니다. 이 리튬은 전기적/ 화학적 특성이 매우 우수하기 때문인데요, 배터리 내부에서 리튬 이온의 양극과 음극 간 이동 시, 전기의 저장 및 배출 특성이 대표적인 성질입니다. 이 리튬 이온 배터리를 통해, 고밀도의 에너지와 고속 충전이 가능한 배터리를 만들 수 있게 된 것이며, 전기차의 주행 거리 확대 및 충전 시간 저감에 특화된 성질을 가지고 있다고 볼 수 있습니다. 특히 이 리튬은 최근 친환경 에너지 산업 분야에서 관심이 고조되고 있는데요, 풍력, 태양광 및 전기 자동차에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 관심이 증가하는 추세이며, 이에 따라 전 세계적으로 리튬을 구하기 위한 노력과 경쟁이 치열해지고 있습니다. 이 점 때문에 미래 핵심 광물 중의 하나로 수요가 날로 증가하고 있죠.

[리튬이 전기 자동차 배터리에서 가진 의미와 중요성] 자동차 배터리 분야에서 리튬에 대한 관심이 날로 증가하는 주요 요인은 크게 3가지로 정의할 수 있습니다. 가장 먼저 안정성이 뛰어난 것을 들 수 있습니다. 리튬은 화학적 안정성이 매우 뛰어납니다. 물론 높은 화학적 반응 특성으로 인해 폭발에 대한 위험을 고려하지 않을 수 없지만, 배터리로 만들 때 충분한 안전장치 마련을 통해서 그 위험을 배제할 수 있었지요. 두 번째로는 고속 충전이 가능하다는 특성입니다. 많은 전기 자동차 제조사와 소유주는 고속 충전에 대해 목말라 있죠. 휘발유의 경우, 길어봤자 2~3분이면 완료할 수 있는 연료 공급을 전기 자동차의 경우에는 비교적 시간이 오래 걸릴 수밖에 없죠. 하지만, 그나마 리튬이온 배터리를 통해서 그 충전 시간을 대폭 단축할 수 있게 된 것입니다. 마지막으로, 에너지 밀도를 매우 높일 수 있는 특성입니다. 배터리는 그 특성상, 배터리 자체가 가진 질량과 부피에 비례하게 되는데요, 이 리튬이온 배터리를 활용할 경우, 가장 최적의 고밀도 에너지 충전이 가능하게 되며, 이를 통해 전기 자동차의 무게와 크기를 줄이는 데에 이점을 가질 수 있게 되며, 더불어 주행 거리 확대도 가능할 수 있다는 의미이죠. 그 때문에 리튬 이온 배터리는 차세대 전기 자동차 배터리 기술의 핵심 자재로 평가받게 된 것입니다.

[리튬의 전 세계 매장량과 확보 경쟁] 전 세계에 매장되어 있는 리튬의 양은 약 1500만톤으로 추정된다고 합니다. 이들 대부분은 광산이나 염수호에서 주로 발견된다고 합니다. 전 세계에서 리튬이 가장 많이 생산되는 나라는 칠레로, 전 세계 매장량의 약 60%를 담당하고 있다고 하며, 그다음이 아르헨티나로 약 20%, 중국이 약 10% 정도로 각각 2위, 3위를 차지하고 있습니다. 이 리튬은 연간 약 20~30만톤 정도가 채광되고 사용되는 것으로 추정된다고 하는데요, 전기 자동차나 이차 전지에 대한 수요가 꾸준히 증가함에 따라, 리튬의 연간 사용량 또한 향후 꾸준히 증가할 것이라고 합니다. 때문에, 이 리튬에 대한 확보 경쟁이 날로 치열해지는 상황인데요, 이는 앞서 언급했듯이 몇몇 국가에서 전 세계 리튬의 대부분을 공급하고 있기 때문에, 심각한 공급 불균형 현상이 계속되고 있기 때문입니다. 즉, 칠레, 아르헨티나, 중국 3개 나라의 공급이 불안정해지면, 이에 대한 여파는 전 세계적으로 확대될 수밖에 없으며, 그에 따른 지정학적 리스크가 매우 높을 수밖에 없는 구조입니다. 또한, 날로 수요가 증가하는 전기 자동차 산업으로 인해, 리튬의 수요는 갈수록 높아질 수밖에 없으니, 주요 자동차 제조사들은 이에 대한 개선 대책 마련에 고민이 많을 수밖에 없을 것이며, 이 리스크를 해소하기 위해, 리튬에 대한 대체재 개발 및 재활용에 대한 연구 개발에도 박차를 가하는 상황입니다.

[리튬의 대체재 마련 방안 및 전망] 물론, 전기 자동차 배터리 사업 분야에서 리튬을 대체할 수 있는 물질이 존재합니다. 가장 첫 번째는 바로 나트륨입니다. 이 나트륨은 지구상에서 리튬보다 훨씬 많이 존재하고, 수급도 용이하면서 동시에 가격도 또한 매우 저렴하다는 장점이 있습니다. 게다가, 리튬과 전기화학적 특성 또한 매우 유사하다고 할 수 있기 때문에, 장기적으로 리튬이온을 대체할 수 있는 가장 좋은 대체재라는 평가가 있습니다. 또한, 칼륨, 세슘 등의 알칼리 금속도 후보가 될 수 있습니다. 이들은 리튬보다 우수한 안정성과 높은 에너지 밀도를 가진다는 장점을 가지고 있습니다. 또한, 마그네슘, 니켈, 코발트 등의 금속 산화물도 이와 유사한 장점들로 인해서, 리튬의 대체 물질의 후보가 될 수 있습니다. 물론, 대중화, 양산화 및 상용화를 위해서는 앞으로도 많은 시간과 노력 및 연구 개발이 필요하겠지만, 시간이 지나면 언젠가는 해결될 가능성이 높다고 볼 수 있겠습니다. 하지만, 그 이전 시점에는 여전히 공급의 불균형, 안정적이고 꾸준한 공급에 대한 리스크는 전기 자동차 사업에서 무시할 수 없는 요인 중의 하나일 수밖에 없겠지요.