리튬 매장량이 전기차 배터리 수요를 따라 잡을 수 없는 이유

리튬은 전기 자동차(EV)의 배터리를 만드는 데 사용되는 금속입니다.더 많은 국가와 자동차 제조업체가 2030년 또는 2040년까지 휘발유 및 디젤 모델을 단계적으로 퇴출하겠다고 약속함에 따라 전기차의 가격이 점점 더 저렴해지고 있습니다. 하지만 전 세계적으로 증가하는 전기차 배터리 수요를 충족할 만큼 리튬이 충분하지 않을 수 있습니다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 2025년까지 전 세계가 리튬 부족에 직면할 수 있으며, 이는 공급이 수요를 따라잡지 못할 수 있음을 의미합니다. 

저번 니켈에 이어 이번 글에서는 리튬이 무엇인지, 리튬 매장량이 부족한 이유, 리튬 채굴의 어려움과 위험성에 말하고자 합니다.

1. 리튬이란 무엇이며 전기차 배터리에 리튬이 중요한 이유는?

리튬은 기호 Li와 원자 번호 3을 가진 화학 원소입니다. 가장 가벼운 금속이자 밀도가 가장 낮은 고체 원소입니다. 리튬은 의학, 세라믹, 윤활유, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서 많이 사용됩니다. 하지만 가장 중요한 용도는 배터리, 특히 리튬 이온 배터리에 사용됩니다.

리튬 이온 배터리는 양극(음극)과 양극(음극)의 두 전극 사이에서 리튬 이온을 이동시켜 에너지를 저장하고 방출하는 충전식 배터리입니다. 음극은 일반적으로 코발트 산화물 또는 니켈 산화물과 같은 금속 산화물로 만들어지며 양극은 일반적으로 흑연으로 만들어집니다. 전극은 리튬 이온이 흐를 수 있도록 액체 또는 고체 전해질로 분리되어 있습니다.

리튬 이온 배터리는 다른 유형의 배터리에 비해 많은 장점이 있습니다. 에너지 밀도가 높기 때문에 단위 무게 또는 부피당 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 또한 자체 방전율이 낮아 사용하지 않을 때 에너지 손실이 적습니다. 또한 많은 충전 및 방전 사이클을 견딜 수 있으며 용량 손실이 적습니다.

이러한 특징 덕분에 리튬 이온 배터리는 많은 에너지를 저장할 수 있고, 오래 지속되며, 빠르게 충전할 수 있습니다. 미국 에너지부 과학 및 공학 연구 센터인 아르곤 국립 연구소의 수치에 따르면, 전기차 한 대에 사용되는 일반적인 리튬 이온 배터리 팩에는 약 8킬로그램(kg)의 리튬이 들어 있습니다.

2. 전 세계 리튬 보유량과 필요량은?

미국 지질조사국에 따르면 지구 지각에 존재하는 모든 리튬의 양은 약 8,600만 톤으로 추정됩니다. 하지만 이 모든 리튬을 추출할 수 있는 것은 아닙니다. 경제적으로 이용할 수 있는 리튬은 극히 일부에 불과합니다.

경제성이 있는 전 세계 리튬 매장량은 2020년 기준 약 2,100만 톤으로 추정됩니다. 매장량이 가장 많은 국가는 칠레(9.6Mt), 호주(6.3Mt), 아르헨티나(2Mt), 중국(1Mt), 볼리비아(0.9Mt) 순으로 매장량이 많습니다. 이 5개국이 전 세계 리튬 매장량의 약 95%를 차지합니다.

2020년 전 세계 리튬 생산량은 약 82,000톤이었습니다. 최대 생산국은 호주(40%), 칠레(23%), 중국(10%), 아르헨티나(9%), 짐바브웨(5%) 순입니다. 리튬 생산의 대부분은 염수 매장지와 경암 매장지 두 곳에서 발생합니다.

염수 퇴적물은 리튬을 포함한 용해된 미네랄이 포함된 지하 소금물 웅덩이입니다. 염수 퇴적물은 일반적으로 소금 평원이나 소금 호수와 같은 건조한 지역에서 발견됩니다. 염수 퇴적물에서 리튬을 추출하기 위해 염수를 표면으로 펌핑하여 햇볕 아래 큰 연못에서 증발시킵니다. 증발 과정은 미네랄을 분리하고 정제할 수 있을 때까지 소금물에 미네랄을 농축시킵니다.

경암 퇴적물은 리튬을 포함한 광물을 함유한 단단한 암석입니다. 일반적으로 지하에서 마그마가 천천히 냉각되어 형성되는 거친 입자의 화성암인 페그마타이트에서 발견됩니다. 단단한 암석에서 리튬을 추출하기 위해 암석을 분쇄하고 미세한 입자로 분쇄합니다. 그런 다음 화학 물질이나 열로 처리하여 리튬 화합물을 추출합니다.

두 방법 모두 장단점이 있습니다. 염수 퇴적물은 일반적으로 경암 퇴적물보다 저렴하고 처리하기 쉽지만, 더 많은 물과 토지 자원이 필요하고 더 많은 폐기물과 배출물을 생성합니다. 경암 매장지는 일반적으로 염수 매장지보다 일관성과 신뢰성이 높지만, 더 많은 에너지와 장비가 필요하고 환경 및 사회적 영향이 더 큽니다.

2020년 전 세계 리튬 수요량은 약 32만 톤이었습니다. 최대 소비국은 중국(38%), 일본(14%), 한국(11%), 미국(10%)이었습니다. 리튬 수요의 대부분은 배터리 산업에서 발생하며, 전체 수요의 약 65%를 차지합니다. 배터리 산업에는 전기차 배터리뿐만 아니라 가전제품, 그리드 스토리지 및 기타 애플리케이션용 배터리가 포함됩니다.

전 세계 리튬 수요는 전기차 시장의 성장에 힘입어 향후 크게 증가할 것으로 예상됩니다. IEA에 따르면 2050년까지 순배출량 제로를 달성하려면 전 세계적으로 약 20억 대의 전기차가 도로를 달릴 필요가 있습니다. 이는 전기차 판매량이 2020년 660만 대에서 2030년 약 5천만 대, 2040년 2억 대로 증가해야 한다는 것을 의미합니다. 이는 또한 전기차 배터리에 대한 리튬 수요가 2020년 약 5만 톤에서 2030년 약 80만 톤, 2040년 330만 톤으로 증가한다는 것을 의미합니다.

현재의 리튬 공급량으로는 이러한 수요 증가를 충족시키지 못할 수도 있습니다. IEA는 2040년까지 리튬 공급량을 40배 이상 늘려야 예상되는 전기차 보급량을 충족할 수 있을 것으로 예상합니다. 이를 위해서는 리튬 생산 능력의 대대적인 확대는 물론 탐사, 추출, 가공, 운송에 대한 투자가 있어야 합니다. 다만 환경과 사회에 위험을 초래할 수 있습니다.

3. 리튬 채굴의 위험은 무엇인가?

리튬 채굴은 단순하거나 무해한 활동은 결코 아닙니다. 리튬 채굴에는 환경과 사회에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 복잡하고 에너지 집약적인 공정이 수반됩니다. 

- 물 소비 및 오염: 염수 매장지에서 리튬을 채굴하려면 펌핑, 증발 및 처리를 위해 많은 양의 물이 필요합니다. 이로 인해 지역 수자원이 고갈되고 오염되어 수자원에 의존하는 생태계와 지역사회에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 세계에서 가장 크고 건조한 소금 평원 중 하나인 칠레의 살라르 데 아타카마에서는 리튬 채굴로 인해 이 지역 물의 약 65%가 소비됩니다. 이로 인해 채굴이 생계와 문화에 영향을 미친다고 주장하는 원주민 단체 및 환경 운동가들과 갈등을 빚고 있습니다.

- 토지 사용 및 황폐화: 염수 매장지에서 리튬을 채굴하려면 연못, 파이프라인, 도로 및 시설을 건설하기 위해 넓은 면적의 토지가 필요합니다. 이로 인해 자연 경관, 서식지, 생물 다양성이 변화하고 훼손될 수 있습니다. 예를 들어, 세계 최대의 염전이자 관광 명소인 볼리비아의 살라르 데 우유니에서는 리튬 채굴이 플라밍고, 선인장, 퀴노아 식물과 같은 독특한 동식물에 영향을 미칠 수 있습니다. 경암층에서 리튬을 채굴하려면 식생을 제거하고, 구덩이나 지하 터널을 파고, 폐암석과 광미를 발생시켜야 합니다. 이로 인해 토양 침식, 먼지 배출, 소음 공해, 시각적 영향이 발생할 수 있습니다.

- 온실가스 배출: 염수 및 경암층에서 리튬을 채굴하려면 기계, 차량 작동을 위한 에너지가 필요합니다. 예를 들어, 세계 최대 리튬 생산국인 호주의 경우, 경암층에서 리튬을 채굴할 때 리튬 1kg당 약 15kg의 이산화탄소가 배출됩니다. 이는 휘발유나 경유를 생산할 때 배출되는 양과 비슷합니다.

- 사회적 갈등과 인권 침해: 리튬 채굴은 지역 사회, 특히 채굴 지역이나 인근에 거주하는 원주민의 권리와 이익에도 영향을 미칠 수 있습니다. 채굴 활동은 토지, 물, 문화유산에 대한 접근을 방해할 뿐만 아니라 채굴을 하면서 노동자의 건강 및 안전 위험에도 노출이 되고 있습니다.

4. 리튬 매장량 문제를 해결하기 위한 해결책은?

- 대체 소재: 리튬 수요를 줄이는 한 가지 방법은 배터리의 리튬을 대체하거나 보완할 수 있는 대체 소재를 찾는 것입니다. 예를 들어, 연구자들은 나트륨, 마그네슘, 아연, 알루미늄 또는 실리콘을 배터리 전극이나 전해질의 대체 또는 첨가 금속으로 사용하는 방법을 모색하고 있습니다. 이러한 금속은 리튬보다 풍부하고 저렴하지만 에너지 밀도가 낮고 무게가 더 무겁거나 분해가 더 빠르다는 단점도 있습니다. 따라서 성능과 기존 배터리 기술과의 호환성을 개선하기 위해 더 많은 연구와 개발이 필요합니다.

- 배터리 재활용: 리튬 수요를 줄이는 또 다른 방법은 배터리 재활용을 개선하여 다 쓴 자동차 배터리의 귀금속을 효율적으로 재사용할 수 있도록 하는 것입니다. 현재 전 세계적으로 리튬 이온 배터리의 약 5%만이 재활용되고 있는데, 이는 주로 기술적, 경제적, 규제적 장벽으로 인해 발생합니다. 리튬 이온 배터리를 재활용하려면 수거, 분류, 분해, 전처리, 분리, 정제, 회수 등 여러 단계가 필요합니다. 이러한 단계에는 전문 장비, 숙련된 작업자, 안전 조치가 필요합니다. 또한 에너지를 소비하고 폐기물과 배출물을 발생시킵니다. 따라서 리튬 이온 배터리를 재활용하는 것이 항상 수익성이 높거나 환경 친화적인 것은 아닙니다.

리튬 이온 배터리를 재활용하면 많은 잠재적 이점이 있습니다. 새로운 금속 채굴의 필요성을 줄이고, 배터리 제조에 드는 비용과 에너지를 절약하며, 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.

하지만 리튬 이온 배터리를 재활용하는 데에도 몇 가지 어려움이 있습니다. 하나는 폐배터리에 대한 표준화되고 효율적인 수거 및 분류 시스템이 부족하다는 점입니다. 또 다른 하나는 배터리 화학 및 설계의 다양성과 복잡성으로 인해 보편적인 재활용 방법을 적용하기 어렵다는 점입니다. 세 번째는 1차 리튬의 낮은 가격과 가용성으로 인해 재활용에 대한 경제적 인센티브가 줄어든다는 점입니다. 따라서 리튬 이온 배터리를 재활용하려면 배터리 제조업체, 재활용 업체, 규제 기관, 소비자 등 다양한 이해관계자 간의 더 많은 혁신과 협력이 필요합니다. 

- 리튬 회수: 리튬 수요를 줄이는 세 번째 방법은 채굴이 아닌 다른 출처에서 리튬을 회수하는 것입니다. 예를 들어, 연구자들은 해수, 지열 염수, 유전 염수 또는 폐수에서 리튬을 추출할 수 있는 가능성을 모색하고 있습니다. 이러한 자원에는 리튬 농도가 낮지만(리터당 1밀리그램 미만) 풍부하고 널리 이용 가능합니다. 하지만 높은 에너지 소비, 낮은 선택성, 다른 이온의 간섭 등 기술적, 경제적인 문제도 있습니다.

4. 결론

리튬은 매장량이 제한적이고 고르지 않게 분포되어 있으며 채굴이 어렵고 위험합니다. 계획대로 전기차를 생산하기 위해서는 리튬 공급망이 보다 지속 가능하고 캐파가 훨씬 늘어야만 합니다. 또한 재활용과 회수가 용이해야 하며 노동자 인권 문제도 해결해야 합니다. 궁극적으로는 리튬 배터리를 대체할 수 있는 소재를 찾아야만 합니다. 

(참조 포스트 : 니켈 매장량이 전기차 배터리 수요 감당가능한가? )

한 줄 요약 : 전기차는 친환경이지만 배터리는 친환경이 아닐지도.