탄산리튬

탄산리튬 구조식

탄산리튬(lithium carbonate , Lithiumcarbonat)은 흰색의 분말로 단사 결정계에 속한다. 화학식은 Li₂CO₃, 화학식량은 73.89, 밀도는 2.11 g/cm3, 녹는점은 723 °C (1,333 °F; 996 K)이다. 리튬염 용액에 탄산나트륨이나 암모니아 알칼리성으로 탄산암모늄을 가하면 백색 침전으로 얻어진다. 진공 속에서 600℃까지 가열해도 안정적이며 더욱 고온에서는 분해하면서 용해한다. 분해압 17.4mm/900℃, 134.4mm/1100℃. d0 2.11. 용해도는 물 0℃, 1.54g/100g ; 100℃, 0.73g/100g : 에탄올에 녹지 않는다. 수용액은 알칼리성이며 가수 분해 상수 4.35×10-4이다.

탄산리튬은 국내에서 조울병의 예방 및 치료 용도로 승인되었으며 공업 화학에서 도자기 유약, 촉매 등의 용도로도 사용된다. 리튬의 정확한 기전은 알려지지 않았지만 뉴런과 근육세포에서 카테콜아민 및 나트륨 이온 수송의 뉴런 내 대사를 변화하여 작용을 나타낸다. 경도에서 중등도 중독은 구역, 구토, 설사, 탈수, 안구진탕, 떨림을 유발할 수 있다. 반사항진, 톱니바퀴경축, 조화운동불능, 초조, 착란, 졸음증이 흔하다. 서맥, T-파 이상, 호흡저하도 일어날 수 있다. 중증의 심혈관 질환이 있거나 신장 질환, 나트륨 고갈 환자, 임산부에는 투여하면 안된다. 리튬 독성은 혈청 농도와 매우 밀접한 관련이 있고 치료 용량을 투여할 때에도 독성이 발생할 수 있으므로 혈청 농도를 모니터링 한다.

2차전지 양극재용 탄산리튬

리튬 2차전지 시장이 IT용 배터리 시장을 넘어, 전기자동차, 에너지 저장장치(ESS) 등으로 시장을 확대하면서, 핵심 원료인 리튬에 대한 관심이 커지고 있다. 특히, 자원 외교에 앞장섰던 지난 MB정부에서는 볼리비아, 아르헨티나 등 리튬 보유국을 중심으로 리튬 확보에 적극성을 보이기도 했다. 그럼, 리튬은 어떤 물질이며, 어떻게 활용되고 있을까?

리튬은 주기율표 제1족에 속하는 가장 가벼운 알칼리금속원소이다. 원소기호로는 Li로 쓰며, 원자번호 3, 원자량 6.941, 녹는점 180.54℃, 끊는점 1347℃, 비중 0.534를 갖는다. 칼륨(K), 나트륨(Na) 다음으로 반성이 커서 상온에서 물과 반응한다. 리튬(Lithium, 문화어: 리티움)은 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.

리튬은 전통적으로 세라믹 및 유리, 윤활유(그리스), 알루미늄, 공기청정, 주조, 고무 및 내열플라스틱, 제약용 등에 쓰인다. 리튬은 탄산리튬(Li₂CO₃), 수산화리튬(LiOH), 금속리튬(Metallic Li) 등 다양한 형태로 공급되며, 현재 리튬 관련 제품 중에서 가장 많이 생산되고 소비되는 제품이 바로 탄산리튬이다.

탄산리튬은 알루미늄을 제련할 때 불화리튬으로 변화하여 융점을 낮춰 생산성을 향상시키고, 전력소비를 절감시키는 역할을 한다. 또한 요업분야에서도 소량을 리튬을 첨가해 융점을 낮추고 열팽창과 점도를 낮춰주며 독성화학물질의 영향을 경감시키는 이점을 얻을 수 있어 여러가지 광석과 탄산리튬이 첨가된다. 이외에도 브라운관 첨가제, 내열자기, 내열유리의 배합제, 의약품 등에 사용된다.

2차전지에서 양극재의 원료로 사용되는 리튬은 탄산리튬과 수산화리튬으로 나뉘는데 그동안 2차전지 업계에서는 탄산리튬을 주원료로 하는 양극재를 주로 생산해왔으나, 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위한 2차전지 기술이 발전하면서 니켈 함유량 80% 이상의 양극재가 개발되고 이에 쓰이는 수산화리튬의 수요가 점차 늘어나고 있는 추세다. 전체 리튬 수요 중 2018년 13.4%에 불과하던 수산화리튬 비중은 High Ni 계열 EV용 배터리 채용 확산으로 2025년 41.4%까지 확대될 전망이다. 수산화리튬 공급 부족분은 탄산리튬을 수산화리튬으로 재가공한 물량으로 채워지다 수산화리튬 설비 신증설 계획이 나오며 점진적으로 해소될 것으로 전망된다.

또 폐배터리를 재활용해 탄산리튬을 회수하는 기술을 두산중공업이 개발했다. 폐배터리에서 탄산리튬을 추출하기 위해서는 열처리, 산침출(산성 용액으로 재료를 녹이는 작업), 결정화 공정을 거치는데 이 과정에서 일반적으로 황산 등 화학물질이 사용된다. 두산중공업은 독자 개발한 친환경 공법을 통해 2021년 하반기부터 연간 1500톤 규모의 사용 후 배터리를 처리할 수 있는 설비 실증을 추진하고 순도 99%의 탄산리튬을 생산할 예정이다.

참고자료

• 〈탄산리튬〉, 《화학대사전》
• 〈탄산리튬〉, 《네이버 지식백과》
• 안옥희 기자, 〈다 쓴 배터리에서 금맥 캔다 포스코·두산중공업도 뛰어든 600조원 시장〉, 《매거진한경》, 2021-07-05
• 변국영 기자,〈(이슈) 리튬을 둘러싼 논쟁〉, 《에너지데일리》, 2019-09-30
• 〈이차전지 양극재용 탄산리튬 이해〉, 《SNE리서치》, 2013-08-12

같이 보기

• 탄산
• 리튬
• 수산화리튬

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