리튬채굴과 환경영향평가, 채굴부터 재활용까지

안녕하세요, 에이알케이가 지난 Vol.1 이차전지 폐수 문제에 대한 초미의 관심사에 이어, 후편으로 이차전지와 물산업 동향에 대해 정보를 드리려 합니다.

이전 글에서 지나치게 환경보호만 강요해 기업을 탓하는 것보단 정부와의 공통 된 거버넌스로 기다려주고 지켜봐주면 좀 더 나은 개선방향이 나온다고 말씀 드렸습니다.

그 사이 한국환경공단은 ‘민관합동 기술지원반’을 개설 해 기업을 도우고 있으며, 대기업들은 폐수 처리에 대한 신기술을 내놓아 회수에 촛점을 두고 있습니다.

어떠한 문제가 생긴다면 기술개발과 적용의 시행착오로 해결되나가는 것이 환경기술입니다.

앞으로도 이차전지 산업에 대해 국내 기업들의 활약과 정부의 거버넌스를 잘 지켜봐주시기 바랍니다.

vol.2에선 저희 에이알케이가 속한 물산업과 탈수,폐수와는 조금 거리가 멀게 느껴지실 수 있으나 왜 리튬이 물산업과 관련되어 있는지 정독을 하신다면 힌트를 얻게 되실 겁니다.

이후 vol.3에선 본격적으로 이차전지에 적용되는 광산 정제에 쓰이는 원심탈수기의 활용, 폐배터리 재순환에 사용되는 무방류시스템과 원심탈수기, 염폐수발생에 적용되는 공정과 대한민국의 기업들을 소개합니다.

그럼 먼저, 이차전지 산업에 대한 간략한 전세계적인 동향을 말해볼까요?

1. 이차전지의 전세계적 양상 – NCM vs LFP

전기차 시장의 세계적인 주춤 상태와 배터리 기술 경쟁

이차전지는 현재, 전기자동차 산업이 약간은 주춤되는 시점입니다. 이유라면, 국제법상 너무나도 복잡한 정치적인 이유가 산재해 있기 때문입니다.

미국의 보조금 문제와 리튬 채굴권, 미국발 중국 제재, 전시 상황인 관계의 에너지 문제, 그레이수소-블루수소-그린수소에 대한 재점화론, 리튬 염폐수에 대한 환경적인 문제, 재활용 기술의 기술적 완성도 등등 다양한 이유가 있습니다.

또한, 삼원계 배터리 NCM(LNCMO-리튬코발트산화물 + 니켈 + 망간)과 LFP(Li- FePO4-리튬인산철)의 대립 또한 존재합니다.

배터리 양극재의 주요 물질인 Ni이 포함된 NCM은 Ni(니켈) 비중이 높을수록 에너지 밀도가 높아지는 장점이 있고 주행거리가 충전시 늘어나지만, LFP보다 단가가 높습니다.

반면 LFP는 NCM이 사용하는 비싼 코발트를 사용하지 않기에 제작단가가 낮고 안정성이 높으며 올리빈의 6면체 구조로 높은 안정성을 갖습니다.

때문에, 리튬에 대한 채굴부터 정제, 유통까지 모든것이 최단가로 설정될 수 있는 산업구조를 갖는데서 수많은 기업들이 NCM이냐 LFP냐를 두고 기술개발에도 고민을 하고 있는 상황입니다.

LFP VS NCM

현재, 전기차의 대표브랜드 테슬라는 LFP를 채택했으며 저렴하며 안정적이라 화재 위험성이 낮으나 주행거리 상의 단점이 있습니다.

‘안전’이라는 측면에서 아무래도 자동차 생산 기업들이 선호하는 배터리는 LFP로 갈려서 테슬라의 배터리 생산업체인 CATL(45GWh)과 BYD(10GWh)가 내년 생산 목표 물량 55GWh을 모두 LFP로 한 것입니다.

이에 반해 NCM을 주도하는 국내 주요 배터리 3사도 변화의 움직임을 보이려 하고 있습니다.

테슬라 뿐만 아니라 도요타와 폭스파겐 또한 LFP이기 때문에 세계적인 움직임의 변화에서 기로에 놓여 있기 때문입니다.

이를 인식해 LG화학은 모로코에 LFP 양극재 공장 건설을 추진중이며 연5만톤 규모로 2026년 목표치를 설정했습니다. 포스코 퓨처엠은 2025년 기준 2만톤 / 2030년 15만톤의 LFP 양극재 생산 계획을 수립했습니다.

한편, 이차전지 재활용 기업으로 유명한 성일하이텍은 기존 LFP가 자원재활용이 어려운점을 감안해 리튬·인산·철까지 모두 회수하는 기술을 연구개발하고 있으며 2024년 파일럿 테스트를 통해 2026년 상용화를 목표로 한다고 합니다.

이처럼 두 기술의 양강체제에서 기업들은 환경문제의 공통 고민을 가지고 ‘재활용’의 가장 큰 걸림돌문제를 해결하려는 움직임을 보이고 있는 실정입니다.

두 기술간의 차이는 아래와 같으며, 주로 한국3사 vs 중국의 대결구도로 가고 있습니다.

여담, 배터리의 아버지 존 구디너프

2019년 97세에 노벨 화학상을 수상한 미국의 존 구디너프는 현재의 배터리 체계를 개발하는데 많은 기여를 했습니다.

안타깝게도 올 6월 100세의 구디너프 박사는 서거 했으며, 이분이 개발한 배터리 개념은 재활용 기술의 실용성과 맞물려 큰 기술발전으로 EV용 배터리로 크게 발전하고 있습니다.

존 구디너프는 24년간 컴퓨터용 랜덤 액세스 메모리 개발과 배터리 분야에 개발을 이어왔고 현대 자기이론의 장인으로 손꼽힙니다.

인류는 가볍고 강력한 에너지 저장의 기술 혁명을 선물받아 노트북, 휴대폰과 같은 현대 휴대용 전자 제품의 길을 열었습니다.

이후 텍사스대학의 구디너프팀은 유리로 만든 배터리 개발도 참여해왔으며, 전세계 전기차 시장이 열리며 NCM과 LFP사이의 선택을 두고 제조사가 고민에 빠져들게 된 것입니다.

2. 이차전지와 물 산업의 관련성과 환경영향

이차전지와 물산업의 정부의 정책과 예산 관련

이차전지는 대한민국 현정부의 주요 육성산업 이정표로써 반도체·디스플레이·이차전지·바이오의 4대 산업에 포함되며 내년엔 14조7000억원의 정책금융을 실시합니다.

이중 이차전지는 청주·포항·울산·새만금 이차전지 특화단지이며 내년엔 특화단지에 392억원을 지원할 예정입니다.

이차전지가 포함된 자동차 분야는 올해 3226억 > 3549억원으로 10%예산이 확대 돼 지원되며, 이차전지의 R&D분야는 463억 > 525억으로 13.4%증액 됩니다.

위에서 보시듯 현정부는 이차전지가 미래 첨단산업임을 인지해 특화단지에 대한 투자와 R&D 예산비용을 증액했으며 기업의 경우 LG는 2030년까지 15조1000억원을 투자해 글로벌 생산 허브 구축의 비전을 제시했고 SK온 또한 국내 배터리 시장 구축에 1조5000억원을 투자하기로 했습니다.

이차전지 폐수처리를 위한 정부의 노력

환경부는 포항과 새만금 산단의 공공폐수관로 외에 입주기업의 폐수처리시의 잘 모르는 행정과 폐수처리의 기술적 문제를 도우고자 민관합동 운영반을 개설했습니다.

국립환경과학원·한국환경공단의 산하기관과 민간 전문가로 구성된 이 ‘민관 합동 기술지원반’은 입주기업의 폐수처리를 도와 지역주민과 국민이 안심할 수 있도록 하고 있습니다.

NCM과 LFP는 이처럼 기업과 정부가 공통으로 기술개발과 환경영향적 평가에 맞는 수처리 분야의 기술개발도 같이 진행 돼 ‘극복과제’를 인식하며 규제에 걸 맞는 폐수 배출 기준을 마련하는 환경정책과의 동반성장을 이루며 발전하게 되는 첨단 산업 분야입니다.

3. 리튬의 추출 방식과 물환경 영향분석

출처 : https://www.visualcapitalist.com/sp/lithium-battery-value-chain/

이차전지의 주원료인 리튬의 벨류체인은 위처럼 호주와 남미대륙이 주를 이루고 있습니다. 눈여겨 봐야 할것은 리튬은 유한자원이기에 지금도 세계 각 배터리 제조사는 지리적인 탐사를 통한 신규 광산을 찾고 있다는 점입니다.

2021년 기준의 전세계 리튬 광산맵은 아래와 같습니다.

전세계 리튬 자원맵 | 출처 : https://www2.bgs.ac.uk/

본격적으로 이차 전지의 주요 물질 리튬은 다양한 채굴-정제방식이 존재합니다.

남미 칠레, 페루, 아르헨티나의 염호수에서 주요 생산이 되며 이미 각국의 배터리사들은 리튬채굴을 두고 남미에 진출해 있습니다. 또한, 미국 네바다주에선 세계최대의 고농도 리튬광산이 발견되었습니다.

하지만, 이와 함께 더불어 지역의 지하수를 막대하게 써야하는 문제로 리튬1톤을 얻기위해 무려 200만톤의 물을 써야 하기에 지역원주민과의 마찰과 생태종 감소의 문제도 같이 해결해 나가야 합니다.

실제로, 남미에선 정부가 리튬채굴기업을 고발하는 사례가 이어지고 있으며 멕시코의 경우 ‘리튬국유화법’을 내걸어 리튬 쟁탈전을 의식하고 있습니다.

현재 리튬 추출 방법

출처 : 전기차 핵심광물 리튬, ‘친환경 산업’의 이면 (KBS_318회_2023.07.15.방송)

현재 추출은 채광 및 표면 염수 추출이라는 두 가지 주요 방식 중 하나를 통해 수행됩니다.

스포듀민 광석(경암채굴) : 경암채굴 > 스포듀민 정광(양질선별)을 선광(선별) > 정제/정련

광석 채굴은 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되는 프로세스며 추출을 시작하기 전에 탐사와 지질 조사가 필요합니다.  이때 원심분리기로 리튬을 분리시킬 수 있으며, 많은 양의 1000도가 넘는 열을 가해 스포듀민을 β-스포듀민로 변화시킨 뒤 냉각시키는 과정도 포함됩니다. 화석연료가 사용되기에 이산화탄소 발생이 많고 부산물이 많아 환경영향평가에 지적을 받아 왔습니다.
이 방식은 미국,중국,호주가 주로 사용하는 방식으로, 주료 호주에서 행해지는 방식입니다.

염호 증발법 : 표면염수 추출(증발못에 200만 리터 이상을 투여 후 태양건조)

이 방식은 리튬트라이앵글로 명명되는 볼리비아-아르헨티나-칠레에서 행해지는 주된 방식으로 21년도 기준 전세계량의 33%를 생산해냈습니다.

햇빛을 이용한 자연적인 건조로 추출하는 방식으로 지질학적으로나 환경적으로 덜 집약적이지만 염수 추출에는 막대한 양의 물이 필요합니다. 리튬 염수는 표면 풀로 펌핑되어 화학 물질과 혼합되고 증발되며, 분리 및 농축된 리튬 염이 수집되어 사용 가능한 물질로 가공됩니다.

염호 증발법에서 화학적 침전과정은 염수 추출에서 리튬을 회수하는 주요 방식입니다. 상대적으로 간단하고 저렴하며 pH 조정이 필수입니다. 반대 성향의 이온을 사용해 리튬 이온의 용해도가 감소하고 고체 침전물은 여과 또는 침전을 통해 분리됩니다. 물을 증발시키고, 탄산나트륨을 첨가해 탄산리튬을 얻는 이 과정은 염수에서리튬 함유량이 0.5%를 초과할 때까지 농축하기에 물에 잘 녹지 않는 탄산리튬을 건져내는 연유로, 물의 소모량이 많을 수밖에 없는 한계를 지닙니다.

산화리튬 농축·결정설비 : 웰크론한텍의 고유기술

가장 대중적인 염수 증발법의 최대 단점은 12~18개월의 건조기간으로 리튬생산이 느리고 지하수를 많이 씀에 있습니다.

국내 중견기업 웰크론한텍은 포스코에 설비를 제공하는 기업으로 기존 염수증발식과 달리 최단 8시간~1개월의 단축이 가능한 공정설비입니다.

고순도(99.9% 이상)와 추출률은 기존 30~40%에서 80% 이상이며 리튬 뿐만 아니라 고부가가치 제품인 수산화리튬·칼륨을 병행 생산 가능합니다.

웰크론한텍은 지난 칼럼에서 언급된 건설사의 환경기업으로의 변신의 면모를 가진 기업으로 건설사이며 동시에 이차전지에 관련 된 다양한 설비, 무방류와 리튬생산을 주도적으로 이끄는 중견기업으로 코스닥에 상장 될 정도로 해당시장에서 기술을 선도하고 있습니다.

이차전지의 또 다른 물질 니켈의 경우도 웰크론한텍의 황산니켈 농축·결정 설비가 있습니다.

니켈의 경우 앞서 언급된 리튬과는 다르게 남미나 호주가 아닌 주요 생산처는 인도네시아 입니다.

고순도 황산니켈을 얻기 위해 불순물이 없는 양질의 결정을 생산해야 며 기존 정제설비(Batch 타입)은 수용액을 결정화 > 원심분리와 건조 반복 > > 설비 가동과 정지의 비효율을 가졌습니다.

이를 개선하고 고효율로 개발한 기술이 웰크론한텍의 황산니켈 농축결정 설비이며 연속식이라 공정 손실이 적어 에너지사용이 개선됩니다.

SMER방식 :나선형 미세구조 전기화학 반응기

Chemical Engineering Journal 에 발표된 연구에서는 저조한 염수 조건에서 리튬 추출을 달성할 수 있는 확장 가능한 나선형 미세구조 전기화학 반응기(SMER)를 제안했습니다. 이 방법은 저등급 염호 염수 기술에서 이전의 리튬 추출 문제를 극복할 수 있는 방법을 제안하며 지속 가능하고 상업적으로 확장할 수 있는 새로운 방법을 제공합니다.
이 연구는 SMER가 현재 최첨단 장치의 5.6배에 달하는 리튬 추출 속도로 작동되었음을 보여주었습니다.
새로운 방법은 Taijinar 호수에서 리튬을 추출했습니다. 리튬 농도가 낮고 마그네슘 대 리튬 비율이 높기 때문에 대부분의 리튬 자원보다 채굴하기가 더 어렵습니다.

태양열 구동 SMER는 21.96 mg g−1 h−1의 Li 추출 속도에서 안정적으로 작동했습니다. 연구진은 이 방법이 배터리용 수산화리튬을 상업적으로 생산하기 위해 효과적으로 확장될 수 있다고 제안했습니다.

리튬 추출의 기술적 과제

염수 증발 방법의 효율성은 추출 과정을 공동 침전시키고 복잡하게 만들 수 있는 다른 이온과 불순물의 존재에 크게 좌우됩니다. 예를 들어, 마그네슘은 리튬과 비슷한 이온 특성을 갖고 있으며 둘 다 비슷한 반경을 가지고 있습니다.

Mg/Li 비율이 높은 염수에서 고순도 리튬을 생산하는 것은 리튬 추출 산업에 종사하는 과학자와 엔지니어들에게 중요한 기술적 과제입니다.

가장 일반적으로 사용되는 산업 추출 방법 중 하나는 탄산염 침전입니다. 그러나 이 방법이 올바르게 작동하려면 상대적으로 높은 농도의 리튬이 필요합니다.

탄산염 침전은 리튬 농도가 낮은 새로 발견된 염수원에는 적합하지 않습니다. 따라서 염수 증발이 미래 지향적인 리튬 추출 방법이 되려면 더 나은 방법을 개발해야 합니다.

리튬 채굴이 제기하는 환경 문제는?

칠레 아타카마 사막염호의 감소된 홍학(플라밍고) 개체수 | 출처 : VOX

리튬은 염수 대수층, 점토 퇴적물, 화성암 및 해수에서 용해된 미네랄로 자연적으로 발견됩니다. 리튬의 주요 경제적 공급원은 암석과 염수이며, 염수는 전 세계 생산량의 약 60%를 차지합니다.

주로, 볼리비아(2100만톤), 아르헨티나(1900만톤), 칠레(980톤)이 매장된 것으로 집계되며 최근 미국 네바다 주에서 세계 최대 광산이 발견되어 귀추가 주목되고 있습니다.

무엇보다 리튬채굴의 환경학적인 문제는 1톤 채굴시 물이 200만 리터가 필요해 지역 지하수의 고갈 문제가 있습니다. 이로 인해 원주민들의 식수부족, 사막호수, 염호수에 사는 생물종의 개체수 감소가 지적되고 있습니다.

리튬 추출 및 활용과 관련된 몇 가지 환경 문제가 있습니다. 채광은 환경에 해를 끼치며, 염수 증발에는 귀중한 리튬 금속을 액체에서 분리하기 위해 막대한 양의 물과 화학 물질이 필요합니다.

게다가 리튬은 유한한 천연자원이라, 남미 리튬3국 – 볼리비아,아르헨티나,칠레의 매장량이 모두 고갈된다면 새로운 대체지를 찾아야 하고 또 같은 문제가 발생하게 되겠죠?

현재 리튬 추출 방법의 환경적, 기술적, 사회 경제적 문제로 인해 전 세계 과학자, 산업 및 정부 기관에 대체 방법을 찾는 것이 중요합니다.

토지 이용 변화, 자원 병목 현상, 심지어 화석 연료 배출로 인해 리튬 추출의 친환경 잠재력이 저해되기에 NCM방식이든 LFP방식이든 자원은 한정되었다는 가정으로 대체 기술개발을 이어나가야 합니다.

광산 및 오염으로 인한 서식지 파괴는 생물 다양성 손실로 이어집니다. 이는 식량과 경제적 수입을 위해 지역 환경에 의존하는 취약 계층의 지역 먹이 사슬과 안보에 영향을 미칩니다.

지역 대수층과 강의 화학적 오염은 원주민들의 미래 세대에 심각한 영향을 미칩니다.

리튬 추출 및 관련 기술의 지속 가능성을 보장하려면 이러한 환경 문제와 기술적 과제를 해결하는 것이 필수적으로 결과적으로 리튬 추출 방법이 환경을 최대한 손상시키지 않도록 하는 것이 우리 세대의 녹색 혁명의 중요한 사명입니다.

리튬채굴의 신흥 기술

리튬에 대한 수요가 증가하고 추출 방법이 환경에 미치는 영향에 대한 인식이 높아지면서 많은 과학자와 기업이 새로운 기술을 개발하고 있습니다.

예를 들어, Lilac Solutions는 추출 효율성을 향상시키고 환경 피해와 물 사용을 줄이는 혁신적인 모듈식 이온 교환 방법을 개발하고 있습니다.

한편, EnergyX는 금속-유기 골격 나노입자를 사용하여 직접적인 리튬 추출을 제공하고 있습니다.

다른 연구에서는 이온 교환 수지가 현재 방법에 대한 실행 가능한 대안으로 떠오르고 있으며, 독일과 영국의 과학자들은 지열 에너지 플랜트에서 리튬이 풍부한 화강암으로부터 리튬을 추출하는 가능성을 조사했습니다.

최근에는 새로운 강수 방법도 연구되었습니다. 연구에서는 감소하는 매장지에서 자원을 추출하는 데 필수적인 리튬 회수율을 향상시키기 위해 인산나트륨 염을 사용하는 방법을 모색했습니다.

다른 연구에서는 알칼리성 침출 용액에서 리튬을 회수하기 위해 인산을 사용했습니다.

그러나 유망하지만 몇 가지 주요 과제는 여전히 남아 있습니다. 예를 들어, 알루미네이트 침전은 Mg/Li 농도가 높은 염수에서 적합한 방법으로 등장했지만 비용이 많이 들고 알칼리 화합물을 많이 소모합니다. 리튬 추출의 새로운 발전을 개선하기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.

리튬채굴 방식이 무엇이 있나요?

1. 스포듀민 광석의 정제/제련
: 주로 원심분리기를 통해 행해지는 방식이고 긴 프로세스를 지닙니다. 호주에서 행해지는 방식이 스포듀민 광석 채광이며, 광석은 제련과정에서 화석연료를 사용하기에 단점으로 지적받습니다. 분리과정은 원심분리기가 이용됩니다.

2. 염호 증발법 :
-남미의 리튬트라이앵글(볼리비아-아르헨티나-칠레)에서 행해지는 방식으로 염호수에 물을 넣어 증발시키는 방식입니다. 자연친화적인 방식이나 물사용이 리튬1톤당 200만 리터에 달할정도라 이방식 역시 물재사용이 힘든 방식이라 지적을 받습니다.

3. SMER:
-기타 학술지에서 제안되는 방식등이 있습니다.

리튬배터리의 국내 동향은?

우리나라는 NCM이 주를 이루고 중국은 LFP를 선호하며 대부분의 자동차사는 LFP를 선호합니다. 화재위험성이 낮아 개발사로써 사고시 책임전가되는 부분에 대한 리스크가 적기 때문입니다.

그러나 LFP는 세계적으로 상승세에 있어 국내 개발사들도 전부 LFP라인업과 개발을 늘리며 기존에 불가능했던 LFP의 재활용기술도 시도되고 있습니다.

리튬채굴이 어떤 문제를 일으키나요?

스포듀민 광석 추출방식에선 화석연료의 사용이 문제되며, 염호 증발 방식은 많은 양의 물사용으로 지역의 지하수 고갈이 문제시 됩니다.

이차전지 산업 인사이트 연재시리즈

Vol.1 새만금 이차전지 폐수정보 인사이트 vol.1 : 보기

Vol.2 이차전지 염폐수란 무엇인가? ARK환경 : 보기

Vol.3 리튬채굴과 환경영향평가 – 이차전지 인사이트vol.3 : 보기

Vol.4 무방류시스템(ZLD)과 이차전지 폐수 – 배경과 장단점 : 보기

Vol.5 이차전지 폐수처리 관련 국내 업체리스트 : 보기