EV 배터리 업계, 해수‘리튬’ 추출 기술 초관심

전기차 시대 현실화에 리튬 관심 고조…수요·가격 급증

테슬라(Tesla)가 촉발시킨 전기차(EV) 돌풍에 배터리社의 배터리 소재 확보 전쟁이 본격화되면서 원료인 ‘리튬(Li, Lithium)’ 추출 기술에 대한 관심이 고조되고 있다.

테슬라의 전기차 ‘모델 3’가 한 달 만에 40만 대 선주문을 기록하고, 폭스바겐·BYD 등 내연기관차 업계도 전기차 전략으로 급선회하면서 배터리社의 배터리 원료 확보에 비상이 걸렸다.

이에 따라 배터리 원료인 전기차용 리튬 시장이 급팽창(2015년 16Gwh→2021년 400Gwh)할 것으로 전망되고 있고, 수요가 급증하면서 가격도 급등하고 있다.

리튬 가격은 2015년 6000 달러(USD)/톤에서 2016년 2만 달러(USD)/톤으로 급등했고, 2018년에는 2만3000 달러(USD)로 상승한 것으로 전해진다.

리튬 확보 전쟁의 新병기…기술사업화 설명회

한국지질자원연구원(KIGAM)이 서울 코엑스에서 ‘해수리튬 추출 기술-기술사업화 설명회’를 개최하고, 전기차 시대가 현실화되면서 리튬 시장의 지각 변동이 일어나고 있음을 알렸다.

포스코경영연구원 오영일 수석연구원은 ‘리튬 자원 시장 현황 및 전망’이란 발제를 통해 “양질의 리튬 광산과 염호 부족으로 리튬 자원에 대한 가치와 개발비는 상승할 것”이라고 전했다.

현재 염호 리튬을 생산하는 남미(칠레, 아르헨티나, 볼리비아)와 광석 리튬을 생산하는 호주가 전체 리튬 생산량의 절대 다수를 차지하고 있고, 호주와 칠레에서 활동 중인 3곳(Big 3)이 전체 리튬 공급의 76%를 책임지고 있다.

그리고 리튬은 순도에 따라 공업용과 배터리용으로 구분되며, 현재 주로 공업용 소재로 사용되고 있지만 향후 배터리용 비중이 확대될 전망이다.

통상 전기차, IT기기, 에너지 저장장치(ESS)에 사용되는 배터리용 리튬의 순도는 99.5% 이상이고 유리 소재, 세라믹, 폴리머 등에 사용되는 공업용 리튬의 순도는 99.0% 이상이다.

오영일 수석연구원은 “리튬 소비 증가율이 가장 높은 곳은 한국이며, 북미나 유럽 등 선진권은 성장세가 약하다”며, 아시아 지역의 리튬 소비가 절대적 비중을 차지한다고 설명했다.

지역별 리튬 소비 증가율(2012～2017년)은 한국>중국>인도>일본>유럽>북미 순이다. 2017년 국가별 리튬 소비 비중은 중국 40%, 일본 19%, 한국 14%, 유럽 12%, 북미 7%, 인도 2%, 기타 6%이다.

<리튬 추출공정>

제공 기관별 리튬 가격 상이

리튬의 매매 가격은 인도 조건, 제품 종류에 따라 제공 기관별로 차이가 있지만 2015년 이후 가격 급등 트렌드는 공통적이다. 중국 Asian Metal은 현물 가격이라 상대적으로 가격이 높고 중국 내부 시장 상황에 영향을 받는다.

호주 BMI는 지역별 가격이 구분되어 있으나 BG, TG 평균가격(월, 분기 단위 계약 가격 위주)이다. 영국 Roskill은 지역별 가중 평균 가격으로 1년 이상의 장기 계약 가격을 위주로 하며, 가장 낮은 수준이다.

포스코경영연구원에 따르면 리튬 가격은 공급 부족 현상이 발생하면서 기존 대비 약 3배 수준으로 거래 가격이 형성되고 있고, 장기 공급계약 가격도 큰 폭으로 치솟았다. 오영일 수석연구원은 “가격 차이의 원인은 가격 전망 기초 데이터인 수급 전망에서 비롯된다”고 설명했다.

리튬 추출 방식 3가지, 2021년 공급 부족

염호 리튬과 광석 리튬의 비중은 거의 50:50이다. 추출 방식은 광석(호주지역)의 경우 농축 후 컨버터(Converter)를 이용한다. 염호(남미지역)의 경우엔 자연 증발법, 하이브리드(자연증발+흡착), 직접 추출 방식을 사용한다. 이외에도 Clay와 북미지역은 해수를 이용한 추출방식을 택하고 있다.

또한 리튬의 총 공급량은 2025년 61만9893톤으로 2017년 대비 2.8배 증가하고, 2021년 이후 ‘Big 3’이 주도하는 체제가 무너지면서 공급자가 다변화될 전망이다.

리튬 총수요량은 2025년 70만7717톤으로 2017년 대비 2.8배 증가가 예상되며, 전기차가 차지하는 리튬 시장 수요 비중은 2017년 27%→2025년 56%로 증가할 전망이다.

오영일 수석연구원은 “소규모 업체들의 신규 물량이 집중되는 2021～2022년도에는 리튬 수요가 공급을 초과하고, 공급 초과 최대 수준은 2022년 4.6%(2만2203톤)에 달하고 2025년에는 9.8%(6만9053톤)의 공급 부족이 전망된다”며 “향후 추가 공급 계획이 발표되며 2025년을 전후한 공급 부족분은 다시 줄어들 전망”이라고 덧붙였다.

리튬 공급 증가세는 2020년에 정점을 찍은 후 하락할 것으로 예상되고, 대부분의 신규 설비 가동(Ramp-up)이 끝나는 2022년 이후 공급량 증가세가 현격히 둔화될 전망이라는 게 오영일 수석연구원의 설명이다.

반면 리튬 수요는 전기차 수요 확대로 2020년 이후도 성장세를 유지하며 순수전기차(BEV), 고용량 배터리 탑재 비중이 증가할 전망이다.

한국지질자원연구원, 해수리튬 추출 기술 개발

전통적 리튬 강자인 남미 ‘Big 3’는 ‘리틀 삼각지’로 불리는 염호에서 리튬을 생산하고 있다.

그리고 그간 ‘Big 3’인 알버말(Albermarle)·SQM·FMC는 광석 생산 대비 절대적 원가우위로 세계 리튬 시장을 지배해 왔으나, 2016년부터 시작된 리튬 가격 폭등으로 광산 개발이 활발해지면서 중국의 거센 도전에 직면해 있다는 평가다.

이와 관련, 한국지질자원연구원 정강섭 박사는 “그러나 향후 리튬 수요의 급격한 증가가 확실시되는 상황에서는 염호나 광석보다 더욱 안정적인 공급원 개발 및 확보가 절실한 상황”이라며, 한국지질자원연구원의 ‘리튬 확보 전쟁의 새로운 병기-해수리튬 추출 기술’ 개발 연구 사업을 소개했다.

정강섭 박사는 아울러 “전 세계 광산과 염호에서 채취 가능한 리튬 매장량은 1400만 톤에 불과하지만, 해수 중에 녹아있는 리튬의 용존량은 2300억 톤에 달한다”며, 지구 표면의 70.8%를 차지하는 해수 중에 포함된 리튬은 지속가능한 자원순환형 해양 용존 자원이라고 설명했다.

한국지질자원연구원이 개발 중인 ‘해수리튬 추출 기술’은 리튬 0.17㎎/L 농도 수준의 해수로부터 매장량 무한대의 리튬 광산을 개척하는 극한 기술이며, 연구개발 목표는 해수 중 미량으로 녹아 있는 리튬을 상업적으로 추출하기 위한 핵심기술 및 시스템을 개발하는 것이다.

그리고 현재 연구개발 주요 성과에 따른 보유기술은 ▷고성능 리튬 흡착제 제조 및 조립기술 ▷해양 흡착기술 및 시스템 ▷고효율 탈착시스템 ▷분리·정체 및 고순도 탄산리튬 제조기술 ▷해수리튬 추출 및 탄산리튬 제조 일체형 시스템 등이다.

상당한 연구 개발기술 성과 거둬

고성능 리튬 흡착제 제조기술은 해수 중 리튬을 선택적으로 흡착시켜 높은 흡착 효율을 가지며, 해수 적용 시 물리·화학적 안정성을 보장해 준다.

해양 흡착기술 및 시스템은 세계 최초로 무동력 흡착모듈 시스템을 이용하는 기술로, 실제 해역에서 리튬을 6일 동안 1㎏ 추출하는 실험에 성공(탄산리튬 기준 5㎏/6days)했다.

또한 획기적인 리튬 흡착 반응속도 개선으로 인한 해양오손 문제에 대한 근본적인 해결책을 제시했고, 세계 최초 실제 해역에서 30회 이상 리튬 흡탈착 반복 실험결과를 보유하고 있다.

반면 일본 경제산업성 지역신생컨소시엄 연구개발 사업으로 추진 중인 실용화 파일럿 플랜트 연구의 경우에는 세계 최초로 발전소 온배수로부터 무수염화리튬 4N(99.99%), 900g/42days을 생산하는데 그치고 있다.

해양 용존 리튬 추출 및 고순도 탄산리튬 제조 일관공정 시스템은 리튬 추출 해상플랜트와 육상에서의 탄산리튬 생산라인이 연결된 일체형 시스템으로 해안에 근접한 얕은 수심에서 구현되는 해상플랜트이다.

정강섭 박사는 “해수리튬 추출 상업용 플랜트 개발과 해수리튬 추출 확장기술 개발, 그리고 기술 완성도 제고를 통한 해수리튬 추출 기술의 조기 상용화 달성”이라는 사업추진 방향을 밝히고, 사업 분야별 추진 계획도 설명했다.

저농도 염수리튬 추출 상업용 플랜트 공정 개발은 최고 난이도의 해수리튬 추출 기술을 적용해 저농도 염수리튬 개발의 조기 상업화를 추진할 계획이다.

세부적으로 기존 리튬 0.17㎎/L 추출 기술을 500ppm 미만의 저급 염수리튬에 적용시켜 기존의 염수리튬 추출 공정에 비해 월등한 생산성을 가지게 하고, 화학적으로 매우 안정한 망간산화물계 흡착제로 리튬만 선택적으로 추출하게 하여 별도의 폐기물 처리공정이 필요 없도록 하는 것이다.

발전소 온배수 리튬 추출 조기 상업화

발전소 온배수 리튬 추출 상업용 플랜트 공정 개발은 이미 확보한 해상형 리튬 추출 기술을 적용해 발전소 온배수 리튬 추출을 조기 상업화할 계획이다. 우리나라 발전소 온배수 배수량은 연간 560억 톤으로서 탄산리튬(Li2CO3) 기준 4만8000톤의 가치를 가진다.

그리고 옥상형 플랜트로서 건설비 및 운용비가 해상형에 비해 저렴해 별도의 해수 취수비용이 절감되어 사업화에 유리하다.

플랜트 공정 예상 개발기간은 3년에 150억 원의 비용이 들어갈 것으로 추산된다. 차세대 고성능 리튬 흡착제 개발은 신규 고성능 리튬 흡착제 제조 및 조립기술 완성도 제고에 나서고, 상업용 리튬 흡착제 모듈 개발에 박차를 가할 계획이다.

정강섭 박사는 이와 관련해 “해수리튬 추출 상업용 시범 플랜트 개발에 700억 원, 염수리튬 추출 기술 개발에 150억 원, 차세대 고성능 리튬 흡착제 개발에 150억 원이 각각 투자될 예정”이라고 전했다.

<해수리튬 추출기술>

◆기술개요

-리튬 0.17㎎/L 농도 수준의 해수로부터 리튬을 추출할 수 있는 해수리튬 추출 및 탄산리튬 제조 일체형 시스템 기술
-대규모 해수리튬 추출 실증(리튬 1㎏/6days)을 통한 흡착 속도 및 실용성 입증
-불순물이 거의 없는 리튬 1% 품위의 인조 리튬 광석을 1주일 이내에 매장량 무한대의 해수로부터 환경친화적 공법으로 채취 가능

◆필요성

-상업적으로 채굴 가능한 리튬 육상 자원의 세계 매장량은 400만 톤 내외로 남미, 호주, 중국 등 몇몇 국가에만 편중되어 있어 안정적인 리튬 자원의 확보를 위한 신기술 개발 필요
-거대한 미래 리튬 이차전지 시장 및 청정에너지 자원 개발의 주도권 선점과 적극적인 4차 산업혁명 선도 기술 개발을 위한 리튬 자원 확보 방안 시급

◆기존기술 대비 개선점

-획기적인 반응속도 개선으로 생산성 향상 및 해양생물 오손 문제를 근본적으로 해결
-실제 해역에서의 대규모 해수리튬 추출 실증 및 17개월 테스트로 기술의 실용성 입증

◆기술동향

-한국지질자원연구원은 해수리튬 추출 기술을 활발하게 연구하고 있는 연구기관이며, 해수리튬 추출 기술의 실용화를 위한 3가지 핵심기술을 개발함
①리튬을 대량으로 흡착할 수 있는 흡착제
②해수 조건에 최적화된 리튬 추출 공정
③추출한 리튬을 높은 순도로 정제할 수 있는 기술
-일본은 산업기술총합연구소를 중심으로 1980년부터 해수에서 리튬을 회수하는 연구를 추진 중이며, 염호수로부터 리튬 회수 기술을 개발하고 있고, 2014년 이온액체 함침 유기격막을 이용한 해수리튬 회수 기술을 개발하고 있음
-호주 모나쉬대학교와 미국 텍사스 오스틴대학교 과학자들로 구성된 공동 연구진은 금속 유기구조체(MOFs)로 필터를 이용하여 리튬을 회수하는 기술을 연구하고 있음

◆시장규모

-세계 리튬 시장은 2010년부터 연간 6.4%로 성장하고 있으며, 2차 전지 분야가 전체의 37%를 차지하고 있음
-2025년 리튬 공급량은 63만8665톤, 총 수요량은 70만7717톤으로 전망(탄산리튬 기준)

◆시장동향

-전기자동차 시장의 급부상으로 리튬 이온 배터리 수요가 기존 노트북과 스마트폰 이외에도 급증하고 있으며 이에 따라 리튬 수요는 지속적으로 증가 추세 전망
-리튬 이온 배터리를 포함한 세계 2차 전지 시장은 2015년 230억 달러 규모에서 2020년 1200억 달러에 근접할 것으로 전망
-전기차 시장 확대 전망이 우세해지며 배터리 핵심 원료 중 하나인 리튬 확보 경쟁이 가격 상승 유도
-국내 수요는 2017년도 연간 2만 톤 정도이며 주로 칠레 SQM, 미국 Albemarle 등으로부터 전량 수입하고 있음

<조혜영 기자>