리튬의 생산과 리튬 화합물

최근 리튬 가격. 중국 내 거래되는 탄산리튬의 톤당 가격이다. 현재 85,000위안/톤으로 작년 저점 대비 약 2배 이상 상승했다. 그렇지만 2017년의 고점 대비해서는 여전히 절반 수준. 좀 더 과거 시계열의 자료에서는 리튬 가격이 2015 ~ 2016 중순까지 크게 올랐던 것을 확인할 수 있다. 

출처: Trading Economics

 

리튬 공급은 다음 회사들이 대부분을 차지한다: (1) 알버말 (2) 강봉리튬 (3) SQM (4) 천제리튬 (5) Livent (6) Orocobre... 하락 사이클 당시 광산에 대한 투자가 덜 이뤄졌고, 그로 인해 수요 증가에도 공급 증가가 잘 따라오지 못하는 상황. 

(모든 사이클 산업에 해당하는 것 같다... 반도체도 그렇고 폴리실리콘도 그렇고.... )

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리튬의 채굴은 염호(Brine)에서 이뤄지거나, 스포듀민(Spodumene)이라는 암석에서 추출한다. 염호에서 추출하는 경우 리튬 함량이 풍부한 지하수를 끌어올려 염전처럼 물을 말려내고, 여러 화학적 방법을 통해 리튬만을 추출해낸다. 북반구의 경우 겨울에 이러한 증발이 잘 이뤄지지 않아 생산 비수기이다. 리튬 함량이 풍부한 지하수가 있는 지역은 건조하고 마른 분지 지형으로, 이런 조건이 흔하지는 않다. 

 

https://www.newscientist.com/article/mg22830430-300-lithium-dreams-the-surreal-landscapes-where-batteries-are-born/

 

리튬 수요의 대부분은 배터리이지만, 배터리가 아니라 유리나 도기를 만들때도 사용된다. 원자번호 3번으로 아주 가벼운 물질이기도 하고, 지각에 아주 소량 포함되어있다. 위키피디아에 따르면 지각에 포함된 원소 중 약 33번째로 많다고 한다. 23, 24위가 구리, 니켈이니 엄청 많은 건 아니지만, 부족할 정도는 아닌 자원이라는 말이다. 

 

https://www.youtube.com/watch?v=byGE-bhNzOY

 

리튬은 배터리 사용량이 폭증하면서 그 용도가 크게 변화, 다른 산업에서의 사용량은 거의 변하지 않음. 

https://newagemetals.com/lithium-supply-hard-rock-vs-brine/

 

리튬은 염호 매장량과 암석 매장량이 전 세계에 퍼져있다. 다만 전 세계 매장량의 대부분이 칠레와 볼리비아 등 남미에 집중되어있다고 한다. 물론 이 매장량은 계속해서 늘어나는 중이라고 한다... 매장량 통계는 시기와 기준, 기관에 따라 조금 다르게 나온다. 중국은 실제 매장량은 굉장히 많으나, 생산의 현실적 어려움으로 생산량은 남미가 더 많다고 한다. 

 

https://graphics.reuters.com/ELECTRIC-VEHICLES-METALS/010092JB38P/index.html

 

스포듀민 암석은 아래와 같이 하얗게 광택을 띄기 때문에, 상대적으로 식별하기 용이하다고 한다. 이 돌을 부수고 가루내어 돌가루를 만들고, 이 돌가루를 다시 화학적으로 처리하여 리튬을 추출한다. 호주의 스포듀민 광석은 주로 중국으로 수출된다. 스포듀민이 아니라 다른 암석에서도 리튬을 추출할 수 있으나 주로 스포듀민이 사용된다고 한다. 

 

https://www.youtube.com/watch?v=Ldmw6njETRg

 

리튬을 염호에서 생산하는 방식과 암석에서 생산하는 방식은 각자 장단점이 있는데, 염호에서 생산하는 경우 초기 투자 비용이 높고, 생산 기간이 길지만 상대적으로 단위비용이 낮다. 기후에 대한 의존도 또한 높다.암석에서 채취하는 방식은 초기 투자 비용이 적고 생산이 빠른 대신 단위 생산비용은 높다.

수산화리튬 분말이라고 한다. 하지만 이게 탄산리튬인지 설탕인지 알 방도는 없다.

 

리튬은 크게 탄산리튬(Lithium carbonate)과 수산화리튬(Lithium hydroxide)의 형태로 유통된다. 둘다 하얀 파우더 형태로 분간이 안된다. 다만 분자식은 다른데 탄산리튬은 Li2CO3, 수산화리튬은 LiOH이다. 

두 리튬 화합물은 화학적 성질에서 차이가 있는데, 탄산리튬에 비해 수산화리튬이 녹는점이 낮다. (723℃ vs 462℃). 따라서 수산화리튬이 소결 과정에서 보다 낮은 온도로 가공이 가능하기 때문에 가공이 더 안정적이고, 하이니켈 등 고용량 양극재에 많이 사용된다고 한다.... (제가 산업 전문가는 아니고 조사한 바에 따르면 그렇습니다...) [포스코경영연구원의 참고자료]

생산 공정도 서로 상이해 Hard Rock 공법에서는 수산화리튬 / 탄산리튬을 모두 생산할 수 있고, Brine 공법에서는 주로 탄산리튬이 생산됩니다. 다만 이 두 화합물을 적절한 비용을 들여 처리하면 탄산리튬과 수산화리튬간 변형이 가능합니다. 

https://newagemetals.com/lithium-supply-hard-rock-vs-brine/