세상의 모든 배터리에 대한 궁금증 – 수산화리튬과 탄산리튬의 차이는 무엇인가요?

최근 전기차 배터리 관련 뉴스를 접하다 보면 자주 접하는 소식이 있습니다. 리튬 가격이 급등하고 있다는 것인데요. 전기차 배터리의 양극재 소재 중 리튬이 특히 주목받고 있는 이유는 무엇일까요? 이번 시간에는 리튬의 종류와 차이점에 대해 알아보겠습니다.

Q. 이차전지에서 ‘리튬’은 왜 중요한가요?

리튬은 이차전지 제조에 없어서는 안 될 핵심 소재입니다. 배터리를 구성하는 요소에는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막, 이렇게 4가지가 있는데, 이 중에서도 배터리의 용량과 전압을 좌우하는 양극재의 핵심 소재가 바로 ‘리튬’입니다.

니켈, 코발트, 망가니즈 등의 원료를 섞은 전구체에 리튬을 배합하여 최종적으로 양극재가 만들어지는데, 이때 리튬은 순수한 형태로는 활용이 어렵기 때문에 화합물로 가공하여 사용하게 됩니다.

배티리 제조에 활용되는 리튬 화합물의 종류는 크게 ‘수산화리튬(LiOH)’과 ‘탄산리튬(Li2CO3)’이 있습니다.

Q. ‘수산화리튬(LiOH)’과 ‘탄산리튬(Li2CO3)’의 차이는 무엇인가요?

수산화리튬은 주로 고밀도, 고용량을 필요로 하는 전기차 배터리에 사용됩니다. 이는 수산화리튬이 양극재 배합에서 배터리 에너지 밀도를 높여주는 니켈과의 합성이 쉽기 때문인데요. 그래서 수산화리튬이 사용되는 이차전지는 일반적으로 니켈이 결합된 NCM, NCA 등의 *삼원계 배터리로 구분됩니다. 최근에는 니켈의 비율이 60% 이상으로 높은 하이니켈 배터리가 주목받으면서 수산화리튬에 대한 니즈가 더욱 커지고 있습니다.

탄산리튬은 주로 인산철을 양극재로 하는 소형 전기차용 *LFP배터리나 에너지 밀도가 다소 낮은 가전제품이나 IT 기기용 배터리를 만들 때에 사용되고 있습니다.

(*삼원계 배터리: 양극재에 리튬코발트산화물(LCO), 니켈, 그리고 다른 원소가 추가되어 3가지의 금속 원소가 사용된 배터리) 
*삼원계 배터리에 대해 더 알아보기

(*LFP 배터리: 리튬코발트산화물(LCO)에서 코발트 대신 인산철을 넣은 LFPO로 구성된 양극재를 사용한 배터리)
*LFP 배터리에 대해 더 알아보기

Q. 수산화리튬과 탄산리튬은 어떻게 만들어지나요?

상업용 리튬은 보통 광산에서 채굴하거나 또는 염호(염도가 높은 호수)에서 추출합니다. 순수한 리튬을 얻으면 이후 용도에 맞게 화합물 형태로 가공하는 단계를 거치는데, 광산에서 채굴하는 경우 가열, 여과 등 추가적인 가공을 통해 수산화리튬과 탄산리튬을 생산할 수 있습니다. 염호에서 추출한 후에는 염수를 증발시켜 탄산리튬을 먼저 생산하고, 그다음 탄산리튬을 수산화리튬으로 가공 및 변환시키는 과정을 거칩니다.

Q. 리튬을 확보하는 것은 왜 중요한가요?

전기차 시대에 들어서면서, 리튬은 ‘백색 황금’이라 불리며 세계적으로 높은 수요를 보이고 있습니다. 현재 사용되고 있는 리튬이온배터리뿐 아니라 전고체 배터리, 리튬황 배터리 등의 차세대 배터리에서도 리튬은 핵심 소재로 사용될 것으로 보이며. 리튬의 수요는 앞으로도 증가할 것으로 예상됩니다.

2021년 미국 지질조사국(USGS)의 발표에 따르면, 전 세계 리튬 매장량은 8,900만 톤에 이릅니다. 주요 리튬 생산국으로는 호주, 칠레, 중국, 아르헨티나, 브라질 등이 있으며 전체 리튬 매장량의 60%가 남미권에 위치하고 있죠. 하지만 현재 리튬은 수요에 비해 공급이 불안정한 실정인데요. 리튬을 채굴하는데 긴 시간이 소요되고, 채굴 후에는 리튬 화합물 생산을 위해 추가적인 가공이 필요하기 때문에 수요를 즉각적으로 반영하기 힘든 상황입니다.

이렇듯 불안정한 공급 대비 수요가 많아지면서 리튬의 가격은 계속해서 높아지고 있습니다. 리튬은 양극재 원가의 60~70%를 차지하고, 양극재는 배터리 원가 비중이 52%에 달하고 있습니다. 리튬의 비용 상승은 곧바로 배터리와 더불어 전기차의 가격 상승으로 이어지기 때문에, 리튬을 선제적으로 확보하는 것이 중요합니다.

Q. LG에너지솔루션은 리튬 확보를 위해 어떤 노력을 하고 있나요?

LG에너지솔루션은 이와 같은 글로벌 원자재 시장 흐름에 대응하기 위해 탄산리튬과 수산화리튬의 공급망을 다각화하고 있습니다. 최근에는 미국 컴파스 미네랄(Compass Minerals) 社와 탄산리튬에 대한 장기 공급 계약을 체결하였으며 2025년부터 향후 6년간 컴파스 미네랄이 연간 생산하는 탄산리튬의 40%를 공급받을 예정입니다. 또한 지난 1월에는 독일 벌칸 에너지 (Vulcan Energy) 社와 수산화리튬 공급 계약을 체결하여, 2025년부터 향후 5년간 수산화리튬 4만 5000톤(t)을 공급받기로 하였습니다.

LG에너지솔루션이 체결한 공급 계약이 특히 의미 있는 것은, 컴파스 미네랄社와 벌칸 에너지社 모두 친환경 방식으로 리튬을 생산한다는 것에 있습니다. 이를 통해 탄소중립을 위한 ESG 경쟁력까지 함께 강화해 나갈 것입니다.