리튬, Lithium, 하얀 석유

리튬, Lithium, 하얀 석유

분류	알칼리 금속	상태	고체
원자량	6.941	밀도	0.534 g/cm3
녹는점	180.50 °C	끓는점	1330 °C
용융열	3.00 kJ/mol	증발열	136 kJ/mol
원자가	1	이온화에너지	520.2, 7298.1, 11815 kJ/mol
전기음성도	0.98	전자친화도	59.6 kJ/mol
발견	J. A. Arfwedson (1817)
CAS 등록번호	7439-93-2
이전 원소	헬륨(He)	다음 원소	베릴륨(Be)

 

 

가장 밀도가 낮은 금속 원소로, 원자번호 3번. 때문에 가장 가벼운 금속성이며 상온에서 고체인 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. 이름의 유래는 그리스어로 돌을 뜻하는 Lithos.

1817년, 스웨덴의 화학자, 광산업자 요한 아우구스트 아르프베드손(Johan August Arfwedson, 1792 ~ 1841)은 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 식칼로도 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.

무게 대비 전기 전도성이 가장 높은 원소이다. 그러나 비싼 가격과 높은 반응성으로 인해 전선 목적으로는 이용되지 않는다.

또한 리튬으로 만든 불꽃을 액체 질소로 끌 수 없다. 질소와 격렬히 반응하여 질화 리튬을 만들기 때문이다.

항성의 핵융합 과정에서 소모되는 원소이므로 갈색왜성과 적색왜성을 구분하는 기준이 되기도 한다. 다만 태양과 같이 더 큰 항성의 경우 복사층으로 인해 핵과 외부층이 구분되므로 핵융합 반응이 일어남에도 리튬이 검출될 수 있다.

 

매장량과 산출국
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. 

한편, 체코에서는 2017년에 유럽 최대의 리튬광산이 폐광 지역이었던 치노벡에서 발견되어 세계 5위의 리튬 생산국이 될 예정이라고 한다.

2020년이면 지표상에 매장된 리튬이 고갈된다는 말도 있었으나, 이론상 무한정 재사용이 가능한데다 수요의 확대에 따라 계속해서 채굴장이 개발되고 있어 사실상 석유 고갈과 같은 수준으로 취급된다. 문제는 광산의 개발속도가 전기자동차의 수요를 따라잡지 못하고 있다는 것. 리튬 생산량 중 20%가 이차전지의 재료인 수산화리튬이어서 이차전지의 수요가 갈수록 증가해가는 현실에 리튬을 대체할 신소재의 개발이 시급하다. # 그래서 같은 족인 나트륨으로 전지를 만드려는 시도를 하고 있다. 또한 해수의 이온 중에서 리튬을 뽑아올리는 연구도 진행 중이다. 참고로 바닷물 속에는 1리터당 0.17mg 정도의 리튬이 녹아있다. 나트륨 이온 전지는 2023년부터 중국에서 대량 생산이 시작돼 상용 판매중이나 해수에서 리튬을 추출하는 기술은 여전히 연구개발중에 있다. 

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 2차 전지에서 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(간펑)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 자원을 해외 기업들에게 빼앗긴 경험이 이들로 하여금 아주 보수적인 접근을 하게 만들고 있으며, 이에 따라 해외 국가의 진출이 쉽지 않다. '광물의 표본실'이라는 별명이 붙어있는 대한민국에도 리튬이 없는 것은 아니나 '표본실답게' 채산성이 없어서 생산하지 않는다고.

2020년, 자동차 3.7억 대분의 리튬 배터리를 만들 수 있는 양의 리튬이 2018년에 포스코가 찜해둔 아르헨티나의 한 호수에서 발견되었다고 한다. #

그런데 2023년 국내에서도 리튬 매장이 확인된 광산 6곳이 발견되었으며 가장 유력한 것은 울진이다. 매장량은 시추 후 확인이 가능한것으로 보인다. #

2023년 2월 인도에서 매장량 590만톤으로 추정되는 리튬이 발견되었다. 인도에서 리튬 매장이 확인된 것은 처음이며 이는 세계 2위 규모에 해당된다. #

2023년 3월에는 이란에서 매장량 세계 2위의 리튬광산이 발견되었다고 한다. # 현재 이란은 미국, EU 등 서방의 제재를 받고 있기 때문에 중국이나 러시아 등에 팔아서 경제난을 완화시킬 것으로 보인다.

2023년 9월에 미국 네바다-오리건주 접경지역에서 발견된 리튬 매장지에는 최대 약 4,000만톤에 달하는 리튬이 매장돼 있을 것으로 추정된다는 기사가 보도되었다. 맥더미트 칼데라 라고 불리는 해당 지형은 오리건주 남동부와 네바다주 북부에 있는 멕더미트 서쪽의 타원형 모양의 대형 분화구(칼데라)다. 약 1,600만 년 전에 형성된 해당 분화구 안에는 약 2,000만 ~ 4,000만톤의 리튬이 매장돼 있는 것으로 추정된다. 이는 이전에 세계에서 가장 큰 매장지로 여겨졌던 볼리비아 염전 아래에서 발견된 리튬광산보다 훨씬 더 크다. #

리튬 생산 방식은 아래 2가지가 있다.
HardRock 방식: 흔히 알고 있는 광물 캐는 방식. 묻혀 있는 광석을 부수고 운반해서 정련(암석중 리튬 함량이 높은 것만 추려냄) 제련(리튬이 들어있는 암석을 순수한 리튬으로) 후 리튬을 생산. 땅만 파면 되기 때문에 초기 투자 비용이 낮으며, 생산 기간이 약 2주로 짧으나 생산 비용은 높은 편이다. 운반한 후 부수고 가루내서 화학 작용을 거쳐 정제련 후 생산해야 한다. 제철소의 그 복잡하게 생긴 설비들을 떠올리면 된다.
Brine(브라인) 방식: 염호의 물을 끌어 올려 넒은 곳에 가두고 자연적으로 태양열에 의해 증발 시킨 후 가공해서 얻는 방식이다. 초기 투자 비용이 높고(넓은 수영장 같은 걸 만들어야 함), 생산 기간이 길지만(약 1년이 소요됨, 염전처럼 햇볕에 말림) 생산 비용은 상대적으로 낮다. 리튬 트라이앵글에 존재하는 리튬은 이러한 형태로 생산되고 있다. 물과 폭발적으로 반응하는 건 순수한 리튬이고 염호에 녹아있는 건 리튬 화합물이므로 말리든 물 같은 걸 끼얹든 상관없다. 그렇지만, 물에 녹아있는 상태에서 리튬을 추출하려면 온갖 강한 화학물질을 투여하고 플랜트를 돌려야 하는데, 이 과정에서 배출되는 오폐수를 정화하는 비용이 만만찮아서 염전 같은 방식으로 생산하는 것이 저렴하다고 한다. 

 

우주 리튬 문제
우주론의 중요한 미해결 문제중 하나로 리튬의 양이 예측보다 적다는 문제가 있다. 리튬을 포함하여 일반적인 원소의 핵합성 과정은 빅뱅, 항성, 초신성으로 나누어 생각할 수 있다. 질량수 7이하의 원소인 수소, 헬륨, 리튬은 빅뱅 핵합성을 통해 생성되었고 리튬과 그 이후의 원소는 항성의 핵융합과 초신성의 s과정이나 r과정 그리고 기타 여러 반응등을 통해서 만들어진다. 

리튬은 항성 내에서 생성되기도 하지만 핵반응을 통해 쉽게 다른 원소로 변환되기도 한다. 리튬이 항성에서 생성되거나 소멸되는 양은 천차만별이기 때문에 과학자들은 리튬의 생성이나 소멸이 적은 별을 가지고 우주 초기의 리튬의 양을 추산한다. 측정된 우주 초기 리튬의 양은 계산으로 예측되는 양의 1/3에 불과하며, 과학자들은 아직까지 이에 대해 명쾌한 설명을 주지 못하고 있다. 

리튬과 관련된 핵반응들은 많이 연구되었기 때문에 문제가 핵물리학적으로 해결될 가능성은 적다고 알려져 있다. 일례로 베릴륨 동위원소가 리튬으로 붕괴되는 양이 이론적 예측치보다 적기 때문이 아닌가 하는 가설이 있었으나, 오히려 2017년 일본의 대학졸업반 학생들의 실험 결과가 기존 가설을 부정해버려서 답은 더욱 오리무중인 상태다.

천체물리학적으로는 다양한 해결책이 제시되어 있다. 원시 리튬의 양은 오래된 별들에 대해서 리튬이온의 스펙트럼을 측정하여 추정을 하는데 그러한 별들의 표면온도와 리튬이 이온화되는 정도, 확산과 대류의 수준 등을 잘못 가정하여 리튬의 양을 잘못 추정했을 가능성이 있다. 또한 별들이 주계열성에 이르기 전에 이미 리튬을 소모했다는 가설도 있다. 

또는 미지의 입자가 붕괴하면서 빅뱅 핵합성 시점의 온도나 중성자 농도를 바꾸었다는 가설도 있으며 미지의 입자가 원자핵과 속박된 상태를 만들면서 핵반응 단면적을 변화시켰다거나 비활성 중성미자가 관여했다는 가설도 있다.

 

용도
리튬의 대표적인 이용법으로 리튬 이온 배터리가 있다. 1990년대 후반부터 PC 등의 전자기기의 경량화가 진행되어 전지도 이에 따라 가볍고 대용량의 것을 추구하게 되었다. 그래서 등장한 것이 리튬이온 전지이다. 이 전지는 종래 사용되던 니카드 전지, 니켈 금속수소 전지에 비해 아주 가볍고 대용량이며 현재는 거의 모든 휴대용 제품에 사용되고 있다. 하지만 2008년 이래 몇 년간 발화사고가 잇따라 리튬이온 전지의 안전성 기준이 까다로워지고 있다. 특히 리튬 계열 전지 및 리튬 계열 전지를 탑재한 전자기기의 항공기 수속이 점점 까다로워지고 있는 추세다. 또한 한국을 비롯한 여러 국가에서는 보호회로가 없는 리튬 이온 전지의 일반 판매를 법적으로 금지하였다. 리튬산화금속 전극을 합성할 때 코발트를 쓰는 경우 고온에 약하기 때문에 발화 가능성이 높아지며, 이는 망가니즈를 포함한 구조로 치환하면 어느 정도 해소가 가능하다. 

리튬 이온 배터리 시장이 급성장 하기 이전에는 유리 산업에서 리튬을 가장 많이 이용했다. 모래 등 실리카 성분을 녹여 유리나 도자기를 만들 때 플럭스 용제로 탄산 리튬을 첨가해 융해점을 낮추고 점도를 낮춘다. 그리고 알루미늄과 리튬의 합금은 기존 두랄루민을 대체할 항공우주재료로 각광받고 있다. 2% 가량의 리튬을 함유한 알루미늄 합금을 Al-Li 합금이라고 하는데 10% 더 가볍고 금속피로로 인한 크랙 발생과 확산이 적어서 수명이 길어져서 여객기로는 에어버스의 A220의 동체 재료로 중량비 24% 가량 처음 쓰여 기체의 경량화에 큰 기여를 했다.

리튬은 또한 체내 타우물질의 인산화를 막기 때문에 알츠하이머성 치매의 증상을 완화하고 예방하는 데에도 제한적으로 쓰인다. 알츠하이머 문서 참고. 그렇지만, 이는 거의 오프라벨 처방이다.

삼중수소라고도 하는 트리튬을 생산하는 데 재료가 되기도 한다. 현대의 열핵폭탄은 삼중수소와 중수소의 핵융합 반응을 이용하는데 삼중수소는 매우 생산하기 어렵고 비싼 물질인데다가 불안정하여 일정 시기마다 재충전을 해야 하고, 냉각도 해줘야 하며 이는 많은 비용을 발생시킨다. 그래서 핵폭발 시 나오는 중성자를 이용해 삼중수소를 만들기 위해 리튬을 사용한다. 우라늄 핵폭발에서 발생한 중성자를 중수소화리튬 화합물에 쪼이면 리튬이 삼중수소로 변하고 그 삼중수소가 중수소와 핵융합 반응을 일으키는 것이다. 즉 리튬은 현대적 열핵폭탄의 재료이기도 한다. 삼중수소는 산업용으로는 원자로에서 리튬에 중성자를 조사해 소량으로 생산한다.

삼중수소를 핵폭탄 제조 때 직접 사용하지않는 이유는 삼중수소를 원자로 등에서 공업적으로 충분히 만들기도 비싸고 어렵고 반감기도 짧고 또 기체또는 액체(삼중수소수) 형태라 고체인 리튬보다 보관이나 사용하기 어렵기 때문에 수소폭탄 폭발시에 고체 리튬을 삼중수소로 핵변환해 사용하는 것. 실제 수소폭탄은 변환비율이 높은 리튬 동위원소(6Li)를 쓰는데 자연에서 5%에 불과해 이를 농축해서 40% 정도로 비율을 높이는데 이 고농축 6Li 은 핵개발의 핵심적 물질로 여겨진다. 수소폭탄 개발의 초기에는 자연상태의 리튬동위원소 (7Li)의 삼중수소로 변환비율 자료가 부족해서 예상보다 훨씬 많은 삼중수소가 생성되어 캐슬 작전/브라보 실험은 예상보다 2.5배인 15 메가톤의 폭발력을 보여 근해의 민간인들이 피폭 당하는 기도 했다.

핵폭탄에도 쓰였다. 캐슬 브라보의 폭발장치에는 40% 농축된 리튬이 포함되어 있다.

그리고 개인용 컴퓨터의 메인보드 안에 들어가 있는, 흔히 수은 전지라고 말하는 조그마한 3볼트 전지도 알고 보면 리튬 일차 전지다. 또한 AA/AAA 건전지 형태의 리튬 일차 전지도 상용화되어 있다. 일반 건전지보다 훨씬 비싸지만 수명이 길고 출력이 안정적이라는 장점을 가진다. 

 

의학적 용도
전세계에서 생산된 리튬중 약 2%가 조울증 치료약에 쓰인다. 정확하겐 탄산리튬같은 리튬염. 호주의 John Cade 라는 정신의학자가 기르던 기니피그에 리튬을 주사하니 기니피그가 멍때리고 있어서 리튬 치료에 불이 붙었다. 물론, 그 이전에도 리튬염은 요산을 중화시킨다(?)는 치료에 쓰이곤 했었으나, 이 치료법이 쓰레기가 된 후로 이 사람에 의해 새로이 리튬 처방이 발견된 것. 이중맹검법까지 거친 리튬이 조울증에 탁월한 효과가 있다는 게 밝혀진 후 대책이 없던 우울증으로 고통받던 수많은 환자들이 리튬을 도움을 받아 정상적 생활을 회복하는 등 가히 기적의 약으로 불리었다. 정신병도 뇌의 화학적 문제이며 약으로 극적으로 개선될 수 있다는 걸 보여서 정신병에 대한 사회의 부정적 인식을 완화시키는 데도 도움을 주었다고 하지만, 사실 이런 영향은 클로르프로마진(소라진)이 더 컸다. 2의 리튬은 조울증 치료제로 쓰이는 리튬에서 따온 것이다. 문제는 리튬에 독성이 존재한다는 것이다. 저 호주에서도 환자에게 리튬을 투여했는데 독성이 발현되어 투여를 중단했다가 다시 투여하는 등의 일이 있었다. 지금도 리튬은 환자의 안전을 위해 투여할 때 모니터링을 실시해야 한다. 혈중농도 1.2mg/L 정도일 때에 치료 효과가 나타나지만 독성은 농도가 이보다 낮은 상황에서도 나타날 수 있기 때문이다. 리튬의 생체반감기는 24~36시간 정도인데 체내에선 리튬을 저장하지 않는지라 효과를 보려면 계속해서 먹어야 한다. 

또한 리튬이 자살예방과 밀접한 관계가 있다는 주장도 있다. 리튬을 복용한 환자가 리튬을 복용하지 않은 환자보다 자살할 확률이 13~17배 적다고. 중반부 참조 또 호수나 지하수 등 수원의 자연적 리튬 농도와 그 지역의 자살률이 상당한 관계가 있다는 연구도 있으며, 그래서 유지치료 목적과 더불어 자살을 예방하기 위한 목적 등의 이유로 이를 처방한다. 리튬은 먹으면 행복해지는 약이 아니다. 먹으면 감정 기복을 줄여주는 역할을 할 뿐, 기분 자체를 좋게 만들어주지는 않지만 많은 조울증 환자들이 조증 삽화 이후에 심한 우울증이 와서 자살하는 경우가 많기 때문에 도움이 되는 것. 

그래서 마치 수돗물에 미량의 염소를 넣어 식중독을 방지하고 또한 미량의 플루오린를 넣어 충치를 예방하듯이 수돗물에 미량의 리튬을 넣어서 우울증을 예방하고 자살을 줄이자는 주장도 있지만, 리튬의 독성은 혈중 리튬의 농도와 밀접한 관계가 있고, 치료 농도에서도 독성이 발생할 수 있다. 

리튬이 어떤 원리로 안정 효과가 있는지 제대로 규명되지는 않았지만 여러 가설이 존재한다. 확실한건 리튬이 세로토닌을 늘리고, 이런 환자들에게서 잘 날아가는 신경세포를 보호한다는 것이다, 즉, 도파민/세로토닌 시스템이 망가진 상태에서의 세포를 보호해주는 역할. 

심지어 2010년 네이처에 실린 논문에선 16주간 비슷한 조울증 치료제인 발프르산과 일반인과 대조했는데 16주동안 2%의 대뇌 회백질이 증가했다고 한다. 그래서 앞으로 세계 탄산리튬(의약품급) 시장이 더 커질 것이라고 예상하는 사람도 있다.

그래서 외국에선 리튬 화합물을 영양제로 팔기도 한다. 한국내 해외직구는 가능은 한데, 의사 소견서를 관세청에 납부해야 한다.

2023년경부터 전기자동차 등 리튬 배터리 수요가 늘어남에 따라 의약품용 리튬의 공급이 2024년 초에는 거의 단절될 위기에 처해있다고 한다.