리튬

1817년 스웨덴의 화학자 요한 아우구스트 아르프벳손(Johan August Arfwedson)은 스톡홀름 인근 우퇴(Utö) 섬에서 채굴된 페탈라이트(petalite) 광석을 분석하는 과정에서 기존에 알려진 나트륨·칼륨과 다른 새로운 알칼리 원소의 존재를 확인했다. 이 원소는 광물에서 처음 발견되었기 때문에 바위·돌을 뜻하는 그리스어 리토스(lithos)에서 따와 리튬(Lithium)으로 명명되었다.^[5]

아르프벳손의 스승 옌스 야코프 베르셀리우스(Jöns Jacob Berzelius)는 이 발견을 공식화하였고, 1818년 영국의 험프리 데이비(Humphry Davy)와 윌리엄 토머스 브란드(William Thomas Brande)가 산화 리튬(Li₂O)의 전기 분해를 통해 처음으로 순수한 리튬 금속을 분리해냈다. 그러나 대량 분리는 1855년 독일의 로베르트 분젠(Robert Bunsen)과 어거스투스 마티센(Augustus Matthiessen)이 염화 리튬(LiCl) 전기 분해를 이용해 가능해졌다.^[5]

냉전 시대 리튬은 핵무기 프로그램과 직결된 전략 물자였다. 리튬-6에서 생산되는 삼중수소가 열핵탄두의 핵심 연료였기 때문에 미국과 소련 모두 리튬 비축에 나섰다. 1950년대 미국은 대규모 리튬 생산 시설을 가동했고, 이후 냉전 종식과 함께 방출된 비축 리튬이 시장에 공급되기도 했다.

1990년대 들어 휴대용 전자기기의 보급과 함께 리튬이온 배터리 수요가 급증했고, 2000년대 이후 전기차 시대가 본격화되면서 리튬은 '하얀 석유(White Oil)' 또는 '21세기 석유'로 불리는 전략 광물로 재정의되었다.^[6]

리튬은 지각에서 질량 기준 약 20 ppm(0.002%)의 비율로 존재하며, 63번째로 풍부한 원소다. 자연계에서는 단독으로 존재하지 않고 스포듀민(spodumene), 페탈라이트(petalite), 레피돌라이트(lepidolite), 암블리고나이트(amblygonite) 등의 광물에 포함되어 산출되거나, 건조 지역의 염호(鹽湖, 살라르) 염수 속에 이온 상태로 농축되어 있다.^[7]

리튬 채굴은 크게 두 가지 방식으로 나뉜다.

경암 채굴(Hard-rock mining): 스포듀민을 주 광석으로 삼는 방식이다. 호주의 그린부시스(Greenbushes) 광산이 세계 최대 경암 리튬 광산으로, 연간 100만 톤 이상의 스포듀민 정광을 생산한다. 생산 비용은 탄산 리튬 등가물(LCE) 기준 톤당 10,000~15,000 달러 수준이다.^[8]

염수 추출(Brine extraction): 염호에서 리튬이 풍부한 염수를 끌어올려 증발지에서 수개월에 걸쳐 농축한 뒤 불순물을 제거하고 탄산 리튬 또는 수산화 리튬을 추출하는 방식이다. 칠레의 아타카마 사막 살라르(Salar de Atacama)에서 주로 활용되며, 생산 비용이 톤당 3,000~5,000 달러로 경암 채굴보다 경제적이다. 세계 리튬 매장량의 약 87%가 염호에 집중되어 있다.^[9]

남아메리카의 칠레·아르헨티나·볼리비아 세 나라가 접하는 지역은 리튬 삼각지대(Lithium Triangle)로 불리며, 세계 확인 매장량의 56% 이상이 이 지역에 집중되어 있다. 미국 지질조사국(USGS)의 2025년 자료에 따르면 세계 주요 매장국과 2024년 생산량은 다음과 같다.^[8]

2024년 전 세계 리튬 생산량은 약 24만 톤으로 2023년 대비 18% 증가했다. 호주가 8만 8,000톤으로 최대 생산국 지위를 유지하고 있으며, 칠레가 그 뒤를 잇는다. 볼리비아는 매장량 세계 1~2위임에도 인프라와 기술 부족, 국유화 정책 등으로 실제 생산량이 매우 적다.^[8]

리튬이온 배터리의 상업화는 수십 년에 걸친 연구의 집약이다. 1972년 스탠리 위팅엄(Stanley Whittingham)이 이황화 티타늄(TiS₂)을 양극으로 한 리튬 배터리를 제안했고, 1980년 존 굿이너프(John Goodenough)가 리튬 코발트 산화물(LiCoO₂)을 양극 소재로 개발해 에너지 밀도를 획기적으로 높였다. 1987년 요시노 아키라(吉野彰)가 탄소 계열 음극을 채택한 현재 방식의 원형을 특허 출원했으며, 1991년 소니가 세계 최초로 리튬이온 배터리를 상업화했다. 이 세 명의 연구자는 2019년 노벨 화학상을 공동 수상했다.^[10]

리튬이온 배터리는 충전 시 양극의 리튬이온이 전해질을 통해 음극으로 이동하고, 방전 시 역방향으로 이동하면서 외부 회로에 전류를 흘려보내는 방식으로 작동한다. 리튬의 낮은 원자량과 극도로 낮은 표준 환원 전위(−3.04 V)가 높은 에너지 밀도와 전압을 가능하게 한다. 현재 상용 리튬이온 배터리의 에너지 밀도는 양극 소재에 따라 150~300 Wh/kg 수준이다.^[2]

• NMC(니켈·망간·코발트 산화물): 에너지 밀도가 높아 장거리 전기차에 주로 사용된다.
• NCA(니켈·코발트·알루미늄 산화물): 테슬라가 초기부터 채택한 양극재로 높은 에너지 밀도를 자랑한다.
• LFP(리튬인산철): 에너지 밀도는 NMC보다 낮지만 내구성·안전성·비용 면에서 유리하다. 2024년 기준 중국 내 배터리 수요의 약 75%, 전 세계 EV 배터리 시장의 약 50%를 차지할 만큼 빠르게 확산되었다.^[11]

전고체 배터리는 기존 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하여 화재 위험을 낮추고 에너지 밀도를 더 높이는 것을 목표로 한다. 삼성SDI, 도요타, 솔리드파워 등이 2027~2030년 상용화를 목표로 개발 중이다. 리튬황 배터리는 코발트·니켈 없이 석유 부산물인 황을 활용하는 친환경 차세대 소재로, 2030년까지 연평균 25% 이상 성장이 전망된다.^[12]

리튬 가격은 전기차 수요 급증에 따라 2022년 11월 탄산 리튬 기준 톤당 81,360 달러까지 폭등했다가, 공급 과잉과 EV 수요 둔화로 2024년 초 20,782 달러까지 75% 이상 급락했다. 2023~2024년 세계 리튬 시장은 각각 17만 5,000톤, 15만 4,000톤의 공급 과잉 상태를 기록했다. 2025년 하반기부터 과잉 폭이 축소되고, 2026년 소폭 공급 부족으로 전환될 것으로 전망된다.^[11]

볼리비아, 칠레, 멕시코 등 주요 산지 국가들은 리튬 자원을 국가 전략 자산으로 선언하고 외국 기업의 직접 채굴을 제한하는 자원 민족주의 정책을 강화하고 있다. 칠레는 2023년 국가 리튬 전략을 통해 국영 기업 코델코(Codelco)와 SQM의 합작으로 정부 지분을 확대했고, 볼리비아는 중국 기업과의 합작으로 국가 주도 생산을 추진하고 있다.^[13]

한국은 리튬을 전량 수입에 의존하며, 2023년 기준 수입의 약 64%가 중국산, 31%가 칠레산이었다. 포스코홀딩스는 2018년 아르헨티나 옴브레 무에르토(Hombre Muerto) 염호를 인수하여 독자적인 직접 리튬 추출(DLE) 기술을 개발, 2030년까지 연간 10만 톤 규모의 생산을 목표로 하고 있다.^[9]

리튬의 의학적 응용에 관한 최초 기록은 1847년으로 거슬러 올라가며, 19세기 후반에는 통풍 치료제로 알려져 있었다. 현대 정신의학적 활용은 1949년 호주의 정신과 의사 존 케이드(John Cade)가 개척했다. 케이드는 조증 환자의 소변에서 독성 물질을 찾던 중 리튬 용액이 기니피그를 안정시킨다는 사실을 발견하고, 스스로 안전성을 확인한 뒤 10명의 조증 환자에게 리튬 염을 투여해 탁월한 효과를 보고했다. 이 결과는 1949년 《호주 의학 저널(Medical Journal of Australia)》에 발표되었다.^[14]

1954년 덴마크의 모겐스 스코우(Mogens Schou)가 최초의 무작위 대조 시험을 수행해 리튬의 항조증 효과를 입증했고, 이후 연구들이 예방 효과까지 확인했다. 미국 FDA는 1970년 리튬을 승인했으며, 미국은 리튬을 승인한 50번째 국가였다.^[14]

리튬의 기분 안정 기전은 완전히 규명되지 않았으나, 이노시톨 인산화 신호 경로를 억제하거나 글루탐산 수용체 활성을 조절하는 것이 관여한다고 알려져 있다. 치료적 혈중 농도(0.6~1.2 mEq/L)와 독성 농도(1.5 mEq/L 이상)의 차이가 좁아 정기적인 혈중 농도 모니터링이 필수적이다. 부작용으로는 손 떨림, 다뇨, 갑상샘 기능 저하 등이 있다. 1999년 메타 분석에서 리튬 치료군의 재발률은 29%로, 위약군 74%에 비해 현저히 낮았다.^[14]