아르헨티나, 볼리비아, 칠레가 만나는 안데스 산맥의 높은 곳에는 수천 킬로미터에 걸쳐 하얀 소금 평지가 펼쳐져 있습니다. 이 평원 아래에는 전 세계 리튬의 58% 이상이 매장되어 있습니다. 수십 년 동안 생산자들은 물을 표면으로 펌핑하고 리튬염이 여과될 수 있을 만큼 농축될 때까지 증발시키는 방식으로 리튬을 추출했습니다. 이 과정은 12~18개월이 걸리며 다른 금속이 포함된 스크랩 더미가 남습니다. 또한 약 200만 리터에 달하는 지역 수자원이 증발해 원주민 공동체에 피해를 입힐 것입니다.
CleanTechLithium에 따르면 전기 자동차와 에너지 저장 시장이 가속화되면서 2040년까지 리튬 수요가 20배 이상 증가할 것으로 예상됩니다. 시장을 따라잡기 위해 많은 기업에서는 염수에서 리튬을 화학적 또는 물리적으로 여과하고 염수를 땅에 주입하는 공정을 개발하고 있습니다. 이러한 직접 리튬 추출(DLE) 기술은 몇 달이 아닌 단 몇 시간 만에 기존 염수 작업의 리튬 생산량을 두 배로 늘릴 수 있습니다. 최근 Goldman Sachs 보고서에 따르면, 석유를 위한 셰일 추출과 마찬가지로 직접적인 리튬 추출은 새로운 리튬 자원을 발굴할 수 있기 때문에 "리튬 공급의 잠재적인 판도를 바꿀 수 있는 요소"입니다. 그러나 셰일 채굴의 위험에 비해 DLE는 환경적 이점을 제공하고 토지 및 물 사용을 줄이며 폐기물을 줄일 수 있습니다.
캘거리에 본사를 둔 Summit Nanotech의 최고 기술 책임자인 Jeremy Patt는 "우리는 염수를 펌핑하여 리튬만 빼내고 염수를 다시 땅에 묻습니다."라고 말했습니다. "목표는 화학 물질을 추가하지 않거나 염수의 온도나 pH를 변경하지 않는 것입니다. 이를 통해 중단을 최소화하면서 더 많은 리튬을 얻을 수 있습니다."
Summit은 이르면 2025년에 상업적 생산을 달성할 계획으로 새로운 직접 리튬 추출 공정을 실험하고 있는 12개 이상의 젊은 기업 중 하나입니다. 세계 최고의 리튬 생산업체인 Albemarle과 SQM은 올해 자체 DLE 기술을 테스트할 계획입니다. 중국에서는 여러 상업 프로젝트에서 중국 DLE 혁신업체인 Xinrixin의 기술을 채택했습니다.
한편, 자동차 제조업체들은 DLE 리튬 공급을 확보하기 위해 줄을 서고 있습니다. General Motors는 텍사스 오스틴에 본사를 둔 EnergyX와 아르헨티나에 DLE 공장이 있는 Tesla의 리튬 공급업체 Livent를 지원하고 있으며, BMW는 Livent에서 리튬을 구매하고 캘리포니아 스타트업 Lilac Solutions에 투자했습니다. 칠레는 지난 4월 민간 파트너의 모든 새로운 리튬 프로젝트가 DLE 기술의 상용화를 가속화해야 한다고 발표했습니다.
현재 대부분의 DLE 프로젝트는 흡착 기술에 의존하고 있습니다. 엄선된 소재와 물리적 구조로 만들어진 마이크로비드 표면에 리튬 분자를 흡착시키는 원리다. 현재 대부분의 회사에서는 60년 전에 처음 발명된 알루미늄 흡착제의 변형을 사용하고 있습니다.
Pat은 SummitNanotech의 알루미늄 기반 입자가 다공성이 높으며 리튬 이온과 전자적으로 상호 작용하도록 설계된 표면을 가지고 있다고 설명합니다. 기공의 직경은 리튬 이온의 직경과 비슷하여 염수에서 리튬의 90% 이상을 포획하는 데 도움이 되는 반면, 기존 증발 방법은 40~65%만 회수할 수 있습니다. Summit 펌프는 흡착제로 채워진 수십 피트 높이와 몇 피트 너비의 기둥에서 염수를 뽑아냅니다. 흡착제에 리튬을 채우면 따뜻한 물로 금속을 씻어내고, 남은 흡착제는 재사용하고 물은 재활용할 수 있다. Patt는 "우리의 독자적인 흡착제와 물 회수 공정은 우리의 기술 핵심 중 두 가지입니다."라고 말했습니다.
회사 설립 이후 5년 동안 서밋은 지속적으로 기술을 개선해 칠레 산티아고의 파일럿 공장에 적용했다고 그는 말했다. 이 회사는 현재 하루 25입방미터의 염수를 처리할 수 있는 시범 공장을 건설하고 있으며 첫 번째 상업용 공장에 대한 계획을 개발 중입니다.
Livent와 SunResin은 자체 알루미늄 흡착제를 사용합니다. Goldman Sachs에 따르면 2017년부터 3개의 중국 리튬 생산업체가 SunResin의 기술을 사용해 왔으며 5개의 프로젝트가 더 진행 중입니다.
Livent는 1998년 초에 DLE를 상업적으로 적용한 최초의 회사입니다. 이 회사는 소금물을 작은 연못에 농축한 후 DLE 공정을 통해 처리합니다. 이는 기존 증발 연못보다 토지와 물을 덜 사용합니다. 2019년 연간 생산량을 2만7천톤으로 늘렸고, 2026년까지 5만톤을 추가로 생산할 계획이다.
캘리포니아 스타트업인 Lilac Solutions는 DLE에 대해 이온 교환이라는 다른 접근 방식을 취하고 있습니다. CEO David Snydacker는 회사가 사용하는 마이크로비드는 흡착제 비드처럼 보이지만 완전히 다르게 작동한다고 말했습니다. 마이크로비드는 수소 이온과 교환하여 리튬을 흡수합니다. 그런 다음 회사는 묽은 산을 사용하여 리튬을 제거합니다.
이온 교환은 가정용 연수기와 같은 일상 응용 분야에 사용되는 일반적인 공정입니다. 그러나 보다 유용한 리튬 이온 교환 물질을 개발하는 것이 항상 궁극적인 목표였다고 Snydacker는 말했습니다. "지난 20년 동안 대기업들은 이온교환이 가능하도록 노력해왔습니다." 세라믹 재료만이 높은 선택성으로 리튬을 흡수할 수 있지만, 과제는 염수와 산세를 견딜 수 있는 내구성 있는 세라믹을 만드는 것입니다. 기존 세라믹 이온교환 소재는 10회 사용하면 성능이 저하되는 반면, 라일락 소재는 2,000회 이상 사용할 수 있다고 한다.
호주의 리튬 개발자인 Lake Resources는 현재 두 개의 원격 프로젝트 현장에서 Lilac의 기술을 시험하고 있으며 Ford는 프로젝트 중 하나에서 연간 25,000톤의 리튬을 구매하기로 계약을 체결했습니다. Snidak은 Lilac이 "세계 최대 리튬 자원 중 하나"에 세 번째 파일럿 공장을 설치하고 있으며 앞으로 몇 달 안에 다른 대규모 고객 프로젝트를 발표할 것이라고 말했습니다.
캐나다와 미국의 석유 및 가스 회사는 리튬 함유 염수를 채굴하는 경우가 많지만 이러한 염수에는 리터당 30~40mg의 리튬만 포함되어 있으며 이는 칠레 염수의 3~4%에 불과합니다. Calgary 스타트업 VoltLithium의 사장 겸 CEO인 Alex Wylie는 오늘날의 흡착제에는 이것이 너무 적다고 말했습니다.
이러한 유전 염수를 활용하기 위해 Volta Lithium은 5미크론 너비의 리튬 흡착 화합물로 구성된 마이크로비드를 개발했습니다. 이를 염수에 노출시켜 염수에서 다른 오염 물질을 먼저 제거했습니다. 마이크로비드는 다른 회사에서 사용하는 입자보다 훨씬 작기 때문에 표면적이 800배 더 넓어서 저농도 물에서 리튬을 추출할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다.
앨버타 북서부에 있는 Volta의 Rainbow Lake 리튬 프로젝트에서 최근 시범 테스트를 실시한 결과 이 물질은 리터당 34mg의 낮은 농도로 물에서 리튬의 90%를 추출할 수 있는 것으로 나타났습니다. 테스트는 서스캐처원 주 레지나에 있는 회사의 파일럿 시설에서 수행되었습니다. Walter Lithium은 현재 북미 전역의 염수를 테스트할 시범 공장을 건설하고 있습니다.
이 회사의 팀에는 여러 석유 및 가스 산업 졸업생이 포함되어 있으며 유전 염수에 중점을 두고 있습니다. 그는 "인프라가 이미 갖춰져 있다"고 말했다. "이건 큰 문제입니다. 소금물 속의 리튬은 매일 생산되지만 추출되지는 않습니다."
파이낸셜 타임즈(Financial Times)는 석유 및 가스 업계의 거물급 기업들이 리튬에 참여하고 있다고 보도했습니다. ExxonMobil은 최근 아칸소에서 리튬 함유 염수 매장지를 구입했으며 Chevron도 리튬 생산을 고려하고 있습니다.
Cleantech Group의 분석가인 Holly Stower는 미국 정부가 특히 다양한 국내 리튬 자원을 개발할 수 있는 능력에 관심이 있다고 말했습니다. "미국이 저탄소 경제로 전환함에 따라 에너지부는 지정학적 위험에 탄력적인 리튬의 안정적이고 안전한 공급을 보장하기를 원하며 DLE는 이를 가능하게 합니다."라고 그녀는 말했습니다.
에너지부는 캘리포니아의 솔턴 해와 같은 미국의 지열 염수에서 리튬을 추출하기 위해 새로운 DLE 기술에 수백만 달러를 투자하고 있습니다. 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)는 매년 24,000미터톤 이상의 리튬을 제공할 수 있다고 추정합니다. 에너지부는 EnergyX에 500만 달러의 최대 자금을 제공했으며 General Motors도 회사에 5천만 달러의 자금을 제공했습니다. 이 회사는 하루나 이틀 안에 리튬을 거의 즉시 분리할 수 있는 흡착 기술과 특허받은 나노기술 멤브레인을 포함하는 하이브리드 기술을 사용하고 있습니다.
어떤 DLE 기술이 승리할지는 확실하지 않습니다. "고객이 원하는 것과 기술이 제공할 수 있는 것의 측면에서 아직 확실한 승자는 없습니다."라고 그녀는 말했습니다. 그러나 Goldman Sachs 분석가 Hugo Nicolaci는 현재 시험 중인 모든 DLE 분리 기술이 다른 목적으로 사용되어 상용화 속도가 빨라질 것이라고 말했습니다. "진짜 DLE 프로젝트의 첫 번째 물결은 10년 후에 나타날 것으로 예상됩니다."