우리는 리튬이온 배터리를 많이 만든다. 정말 많이. 너무 많이 만들어서 공급망의 경제학이 너무 효율적이라 내일 누군가 더 나은 배터리를 발명해도 가격 경쟁에서 이기기 어려울 정도다. 그런데 리튬 부족이 발생하면 어떨까? 그게 상황을 뒤흔들 수 있는 유일한 요소다. 리튬은 어디에나 있지만, 실제로 추출할 만한 가치가 있는 리튬은 대부분 남미의 염호에 있다. 돌에서 리튬을 얻는 것은 비싸고 에너지 집약적이다. 지금까지는.
오늘 발행된 사이언스지에 실린 논문에서 MIT와 보스턴 지역 회사들의 팀이 돌에서 리튬을 추출하는 새로운 방법을 개발했다. 이 방법은 훨씬 적은 에너지를 사용하고, 출발 화학물질을 재생하며, 팔 수 있는 부산물까지 생산한다. 리튬만 얻을 수 있는데 왜 알루미늄 산화물과 이산화규소도 얻지 않겠는가? 마치 화학 뷔페와 같다.
현재 리튬-알루미늄 규산염인 스포듀민(가장 풍부한 리튬 광석)에서 리튬을 추출하는 방법은 광석을 약 1,000°C로 가열한 다음 황산에 담그는 것이다. 이 과정은 많은 폐기물을 남기고 많은 에너지를 사용한다. 새로운 공정은 물에 용해된 불화암모늄(NH4F)을 사용하여 70°C로 가열한다. 이는 리튬에 불소를 제공하는 이온을 생성하여 불화리튬을 형성하는 반면, 규소와 알루미늄은 별도의 화합물을 형성하여 유용한 물질로 가공할 수 있다.
알루미늄 경로는 300°C, 그 다음 700°C로 가열하여 알루미늄 산화물(알루미늄 금속 제조에 사용)을 생산하고 불화수소와 암모니아를 방출한 후, 이들을 재결합하여 원래의 불화암모늄을 재형성한다. 깔끔한 화학 재활용 기술이지만, 불화수소는 매우 위험하다는 점에 유의해야 한다. 규소 경로는 더 간단하다: 암모니아를 더 추가하여 이산화규소를 얻으면 콘크리트를 강화할 수 있다. 불화리튬은 배터리 전해질 제조에 직접 사용하거나 다른 용도를 위해 산화리튬으로 전환할 수 있다.
연구자들은 계산을 해봤다: 기존 로스팅 방법은 리튬 1톤당 약 9,000달러가 든다. 그들의 새로운 공정은? 톤당 약 5,000달러로 저렴한 염호 추출과 비슷하다. 그리고 알루미늄과 규소 부산물을 판매하면 1,000달러 이상 더 낮아진다. 물론 실제 가격은 변동하며, 공정을 전환하려면 새 장비가 필요하다. 하지만 배터리 만들기를 멈출 수 없는 세상에서 선택권이 있다는 것은 좋은 일이다. 게다가 화학자들이 100년 된 산업 공정을 재고하는 모습을 보는 것은 항상 재미있다.