리튬

리튬 건전지

기름 위에 떠 있는 리튬

1. 개요

2. 특징

• 다른 알칼리 금속과 마찬가지로 식칼로도 쉽게 잘릴 정도로 무르고 공기와 물과 잘 반응하며 공기 중 수분과도 반응한다. 반응 영상 그래도 나트륨처럼 격렬하게 반응하는 건 아니다.
  그래서 금속 리튬은 위 사진에서 보듯 기름에 담가 보관하는 게 보통이다. 그냥 석유에 넣으면 떠버리므로 끈끈한 바셀린 따위에 보관한다. 또는 아르곤 따위의 비활성 기체 속에 보관하기도 한다.
  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.

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

3. 매장량과 산출국

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

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

• 2023년 한국에서도 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. #

3.1. 고갈론

• 같은 족인 나트륨으로 전지를 만들려는 시도.
• 해수의 이온 중에서 리튬을 뽑아올리는 연구도 진행 중이다. 참고로 바닷물 속에는 1리터당 0.17mg 정도의 리튬이 녹아있다.

3.2. 2017년 가격 폭등

4. 채굴 방식

• 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.

5. 우주에는 왜 리튬이 적은가?

6. 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 니 카드 전지, 니켈 금속수소 전지에 비해 아주 가볍고 대용량이며 현재는 거의 모든 휴대용 제품에 사용되고 있다.
  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.
  2020년 들어 전기자동차 시장이 활성화되며 배터리의 수요가 폭발적으로 늘어나고 있는데, 최근 업계에서는 리튬을 '하얀 석유'로 부르고 있다고 한다(골드만 삭스). 자동차가 석유가 아닌 리튬배터리로 달리는 것을 비유해서 한 말이다.

• 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.

• 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 물질 [6] 로 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 당하기도 했다.

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

• 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.

6.1. 의학적 용도

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

• 전세계에서 생산된 리튬 중 약 2%가 양극성 장애(조울증) 치료약에 쓰인다. 정확하겐 탄산리튬 같은 리튬염. 호주의 John Cade 라는 정신의학자가 기르던 기니피그에 리튬을 주사하니 기니피그가 멍때리고 있어서 리튬 치료에 불이 붙었다. 물론, 그 이전에도 리튬염은 요산을 중화시킨다(?)는 구식 치료에 쓰이곤 했었으나, 이 치료법이 쓰레기가 된 후로 새로이 리튬의 의학적 사용법이 발견된 것. 이중맹검법까지 거친 리튬이 조울증에 탁월한 효과가 있다는 게 밝혀진 후, 당시 별 다른 대책이 없던 조증으로 고통받던 수많은 환자들이 리튬의 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.
  
  리튬은 환자의 자살예방에 큰 효과가 있는 것으로 보이는데, 리튬을 복용한 환자[7]가 리튬을 복용하지 않은 환자보다 자살할 확률이 13~17배 적다고 한다. 중반부 참조 호수나 지하수 등 수원의 자연적 리튬 농도와 그 지역의 자살률이 상당한 관계가 있다는 연구도 있을 정도이며, 그래서 유지치료 목적과 더불어 자살을 예방하기 위한 목적 등의 이유로 이를 처방한다.[8]
  
  그러나 오해하면 안 되는 것이, 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 이런 사람들에게 도움이 되는 것 뿐이다.[9]
  
  정신과 약 대부분이 그렇지만, 문제는 리튬에 독성과 부작용[10]이 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. 이 외에도 콩팥으로 나가는터라 콩팥 독성이 있으며, 생체반감기는 24~36시간 정도로 체내에선 리튬을 저장하지 않는지라[11] 효과를 보려면 계속해서 먹어야 한다.
  
  리튬이 어떤 원리로 안정 효과를 보이는지 그 기전은 제대로 규명되지 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 16주 동안 2%의 대뇌 회백질이 증가했다고 한다. 그래서 앞으로 세계 탄산리튬(의약품급) 시장이 더 커질 것이라고 예상하는 사람도 있다.

7. 동위원소 구성

8. 여담

• 항성의 리튬 분포를 통해 갈색왜성과 적색왜성을 구별할 수 있다. 항성의 핵융합 과정에서 소모되기 때문이다. 다만 태양과 같이 더 큰 항성의 경우 복사층으로 인해 핵과 외부층이 구분되므로 핵융합 반응이 일어남에도 리튬이 검출될 수 있다.

• 의료용으로도 활용되기에 외국에선 리튬 화합물을 영양제로 팔기도 한다. 한국내 해외 직구는 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.

• 너바나의 노래 Lithium은 조울증 치료제로 쓰이는 리튬에서 따온 것이다.

[1] 암석 이름에 자주 붙는 '- lite' 류 접미사의 어원도 동일하다. [2] 국내에는 정식으로 수입 및 판매되는 사례가 없어 상용화를 체감하기 어렵다. [3] 전세계 전지 생산량 1, 2위이다. [4] 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. [5] 세로축이 리튬의 비율이다. [6] 농축과정의 불순물로 수은을 함유해 붉은 색을 띄어 흔히 붉은 수은이라는 암호로 불린다. [7] 사실상 일반인이라고 봐도 무방하다. [8] 그래서 마치 수돗물에 미량의 염소를 넣어 식중독을 방지하고 또한 미량의 플루오린(불소는 논란이 꽤 있다.)를 넣어 충치를 예방하듯이 수돗물에 미량의 리튬을 넣어서 우울증을 예방하고 자살을 줄이자는 주장도 있지만, 리튬의 독성은 혈중 리튬의 치료 농도에서도 발생할 수 있기 때문에 위험성이 크다. [9] 이는 항우울제에서 종종 나타나는 행복, 각성 효과와는 대조된다. 참고로 양극성 장애에 처방하는 리튬 등 기분안정제와 우울장애에 처방하는 항우울제는 명확히 구분해서 취급해야 한다. 양극성 장애가 확실한 사람은 조증 촉발 위험성 때문에 항우울제 처방을 매우 조심해야 하기 때문. 효과도 별로 없는 것은 덤이다. [10] 졸음, 혼돈, 비자발적 흔들림(떨림), 근육 단일수축, 메스꺼움, 구토, 설사, 목마름, 과도한 배뇨, 체중 증장, 시야 흐림, 현기증 등의 부작용이 발생할 수 있다. [11] 95% 이상 콩팥을 거쳐 나간다. [12] AME2020,Nubase2020