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리튬
리튬(Lithium)은 알칼리 금속에 속하는 화학 원소로, 기호는 Li이고 원자 번호는 3이다. 돌을 뜻하는 그리스어 리토스(λίθος, líthos)에서 이름이 유래되었는데, 이유는 나트륨이나 칼륨과는 달리 광석에서 처음으로 발견했기 때문이다. 무르고 은백색이며 부식을 유발한다. 합금으로 열전달이나 전지 등에 사용할 수 있으며, 미네랄 오일에는 리튬 염의 형태로 첨가되어 있는 경우가 많다. 하얀 석유라고 불린다.
개요
리튬은 가장 밀도가 낮은 금속 원소로, 원자번호 3번. 때문에 가장 가벼운 금속성 원소이다.
주기율표 제1족에 속하는 알칼리 금속의 하나로서, 원자량 6.941, 녹는점 180.54℃, 끓는점 1347℃, 비중 0.534을 갖는다. 알칼리 금속이기에 덩어리를 물에 넣으면 폭발적으로 반응한다.
1817년, 스웨덴의 화학자 아르프베드손은 페탈라이트(엽장석)의 화학분석에 의해 미지의 물질이 함유되어 있는 것을 발견했다. 그 후 불꽃 반응에 의해 새로운 원소 리튬의 존재가 명백해졌다. 리튬의 불꽃색은 짙은 빨간색이다.
다른 알칼리 금속과 마찬가지로 칼로도 쉽게 잘릴 정도로 무르고 공기와 물과 잘 반응하며 공기 중 수분과도 반응한다. 그래서 금속 리튬은 석유에 담가서 보관해야 하는데 가벼워서 석유에도 뜨므로 끈끈한 바셀린 따위에 보관한다. 또는 아르곤 따위의 비활성 기체 속에 보관하기도 한다. 그래서 리튬 배터리를 삼키면 물과 반응해 몸 속에서 고열을 낼 수 있어 매우 위험하므로 얼른 응급실로 가야 한다. ₂ ₃ ₄
역사
리튬이 포함된 엽장석(葉長石, petalite)은 브라질의 학자인 조제 보니파시우 데 안드라다 에 시우바(José Bonifácio de Andrada e Silva)가 18세기 말에 발견하였다. 1817년, 스웨덴의 요한 아우구스트 아르프벳손(Johan August Arfwedson)은 우퇴 섬(Utö)에서 발견한 리튬휘석(spodumene, (LiAl[(SiO₃)₂])과 운모(雲母, K(Li,Al)₃[(Al,Si)₄O₁₀](F,OH)₂)를 분석하던 중 리튬의 존재를 확인하게 되었다. 1818년, 독일의 화학자 크리스티안 고틀로프 그멜린(Christian Gottlob Gmelin)은 리튬 염들을 가열하면 화염이 붉은 색으로 변한다는 것을 알아내었다. 이후 아르프벳손과 그멜린은 리튬을 광석에서 유리시키려는 시도를 했지만 성공하지 못했고, 대신 같은 해에 영국에서 윌리엄 토머스 브란드(William Thomas Brande)와 험프리 데이비(Sir Humphry Davy)가 산화 리튬(Li₂O)의 전기 분해를 통해 순수한 리튬을 얻는 데에 성공했다.
1855년, 로베르트 분젠(Robert Bunsen)과 오거스터스 매티슨(Augustus Matthiessen)은 염화 리튬(LiCl)의 전기 분해로 더 많은 양의 순수 리튬을 추출하는 방법을 터득했고, 1917년, 빌헬름 솅크(Wilhelm Schenk)는 유기 수은 화합물에서 최초의 유기 리튬 화합물을 합성했다. 1923년에는 독일 금속회사(Deutsche Metallgesellschaft, 오늘날의 GEA Group)가 염화 리튬과 염화 칼륨(KCl)의 용액을 전기 분해하는 방법을 사용해 리튬의 상업적 생산을 시작했다.
2차대전 직후까지 리튬은 대부분 윤활제로나 유리 공업에서만 쓰였는데, 미국이 리튬을 통해 획득할 수 있는 삼중수소를 수소 폭탄의 제조에 필요로 하게 되자 상황이 급변했다. 산출량은 급격히 증가했고, 노스캐롤라이나주의 킹스 마운튼(Kings Mountain)이 특히 중요한 산출 지역이 되었다. 삼중수소의 짧은 반감기를 의식했기 때문에 1953년부터 1963년까지 리튬은 대량으로 비축되었고, 이는 냉전이 끝난 1993년부터 시장으로 유통되기 시작했다.
2007년부터는 리튬 전지의 제조가 가장 중요한 용도로 정착되었으며[3], 소금물의 비교적 저렴한 생산이나 채광업에도 역시 중요한 역할을 한다.
존재
지각에서 리튬이 차지하는 비율은 0.0017%으로, 아연·구리·텅스텐·코발트보다는 적고 주석·납보다는 조금 더 많다. 주 생산국은 미국, 칠레, 호주, 캐나다, 중국 등인데, 볼리비아의 우유니 사막에 540만 톤이 매장되어 있다는 사실이 알려져 전세계의 관심이 집중되었다. 2010년에 치러진 2011 수능 화학 2에 문제로 출제되었다.
2010년대 초반 각축 끝에 한국에서 개발권을 따내는 데 성공했으나 계약 조건에 대한 이견으로 결국 무산되었다. 에보 모랄레스 볼리비아 대통령이 한 번 방한해서 국빈 대접을 받으며 개발 양해각서를 체결했다. 그런데 리튬을 생산하는 일은 볼리비아 정부에서 직접 하고, 외국 기업은 가공품인 리튬 전지 생산만을 허용할 거라고 한다. 게다가, 볼리비아는 내륙국가다. 볼리비아 정부는 처음부터 리튬채굴권을 외국에 넘겨줄 의사가 없다는 것을 명백히 밝혔는데, MB정부에서 된다고 무작정 밀어 붙였던 것으로 나타났다. 결국 계약 기간 종료로 자연스레 무산되고, 대신 중국이 참여하게 되었다.
한편, 체코에서는 2017년에 유럽 최대의 리튬광산이 폐광 지역이었던 치노벡에서 발견되어 세계 5위의 리튬 생산국이 될 예정이라고 한다.
2020년이면 지표상에 매장된 리튬이 고갈된다고 한다. 안 그래도 줄어들 예정인 리튬 생산량 중 20%만이 2차전지의 재료인 수산화리튬이라고 하여 2차전지의 수요가 갈수록 증가해가는 현실에 리튬을 대체할 신소재의 개발이 시급하다고 한다. 그래서 같은 족인 나트륨으로 전지를 만드려는 시도를 하고 있다. 또한 해수의 이온 중에서 리튬을 뽑아 올리는 연구도 진행 중이다.
이에 대한 반론으로 USGS 2017년 보고서에 따르면 확인된 미국 내 리튬 매장량은 690만 톤이며 미국 외 전 세계 리튬 매장량은 약 4천만 톤으로 추정된다. 역시 같은 리포트에서는 2016년 세계 리튬 소비량을 37,800톤으로 추정하고 있으며 이 생산량은 수요 증가에 따라 전년도(33,300톤) 보다 증가한 수치이다. 따라서 위에 언급된 2020년 리튬 고갈에 대해서는 해당 보고서의 오역에서 비롯된 오해라는 주장이 있다.
2017년 상반기를 기준으로 리튬의 가격이 3년 만에 4배가 넘게 폭등했다. 전기자동차 시장이 활성화되며 배터리의 수요가 폭발적으로 늘어나는 데에 따른 것인데, 최근 업계에서는 리튬을 '하얀 석유'로 부르고 있다고 한다(골드만 삭스, 자동차가 석유가 아닌 리튬배터리로 달리는 것을 비유해서 한 말이다). 이런 추세에 따라 국내에서는 포스코에서 국내 최초로 리튬 생산 공장을 세워 LG화학과 삼성SDI 등에 리튬을 납품한다고 한다. 다만, 포스코의 국내 공장에서 생산하는 리튬은 폐 2차전지에서 추출하므로 생산량에 한계가 있어 LG화학과 삼성SDI에 충분히 공급하기에는 한참 모자랄 것이다. 그리고 포스코는 철광석 이외의 광석 생산으로 사업을 다각화 하는 목적에서 리튬 생산에 적극적이며 아르헨티나에 연 2만톤 규모의 생산 공장을 운영하려고 하고 있다. 그런데 PD수첩의 보도에 따르면 이 생산공장은 시작도 하지 않았다고 한다. 애초에 공장을 설립하려 한 염호 지역이 해발 4,000m의 문명과 동떨어진 극한지대여서 다른 의도로 투자를 한 것이 아닌가 하는 의혹이 불거지고 있다. 2017년 현재 세계 1, 2위 생산 업체는 중국 회사 Tianqi(티엔치)와 Ganfeng(간프엉)이며 이 회사는 연 3만 톤 규모로 생산 중이다.
리튬의 가격이 오르자 전 세계적으로 리튬을 캐기 위해 눈에 불을 켜고 뒤지고 있으며, 이에 매년 알려진 매장량이 급속도로 늘어 나고 있다. 불과 몇 년 전까지만 해도 호주가 최대 매장량이라고 알고 있었지만, 현재는 리튬 트라이앵글로 불리는 볼리비아 칠레 아르헨티나를 거점으로 하는 지대에 전세계 매장량의 70% 이상이 매장되어 있는 것으로 조사되고 있다. 다만 이들 나라는 리튬 생산을 전부 자국에서 하도록 강제하고 있다. 과거 석유 등 자원이 해외 기업들에게 빼앗긴 경험이 이들로 하여금 아주 보수적인 접근을 하게 만들고 있으며, 이에 따라 해외 국가의 진출이 쉽지 않다. 우리나라에도 리튬이 없는 것은 아니나 채산성이 없어서 생산하지 않는다고 한다.
그러나 2020년, 자동차 3.7억분의 리튬배터리를 만들 수 있는 양의 리튬이 2018년에 포스코가 찜해둔 아르헨티나의 한 호수에서 발견되었다고 한다.
전기차 생산 1위를 달리고 있는 테슬라의 경우 최대주주이자 CEO인 일론 머스크의 소유회사 스페이스 X와 보링컴퍼니의 협업을 통해 지구와 화성 사이의 소행성대에 존재하는 리튬을 굴착해 지구로 조달하는 프로젝트를 진행 중인 것으로 알려졌다. 소설 같은 이야기처럼 들리지만 2020년 6월 NASA와 계약을 마친 실제로 진행중인 프로젝트이다. 프로젝트의 세부적 일정은 발사 2022년 귀환 2026년이다.
참고자료
같이 보기
