해수 중에는 상당히 많은 리튬이 포함되어 있다. 일본은 사방이 바다로 둘러싸여 있기 때문에 리튬자원 대국이라고 말하고 있으며, 사업 채산성을 가진 해수로부터의 자원회수기술은 일본의 새로운 산업 창조에 필요불가결하다. 그래서 세라믹 이온전도체에 의해 해수로부터 리튬을 선택적으로 분리회수하는 기술을 확립하였다. 특히 리튬 분리과정에서는 전기도 발생하기 때문에 제로이미션 자원회수도 예상할 수 있는 세계 최초의 리튬회수기술이다.

전기자동차 및 가정용 축전지의 일반용 판매에 의해 대형 리튬이온전의 수요가 급증하고 있다. 최근 하이브리드 자동차의 경우 니켈수소전지에서 경량, 대용량의 리튬이온전지로 전환되고 있어 원료가 되는 리튬자원의 확보가 제조업 대국인 일본의 최첨단 기술분야의 발전에 필요불가결하다. 또한 리튬은 핵융합로의 연료가 되는 삼중수소를 인공적으로 제조하는 경우에 대량으로 필요한 원소이기 때문에 발전실증이 개시되는 2030년대 이후에는 리튬 수요가 더욱 급증할 것으로 예상된다.

일본에서는 수요가 많아지고 있는 희소금속인 리튬을 남미국가로부터 100% 수입에 의존하고 있다. 지상의 리튬자원은 바로 고갈되는 양이 아니지만, 해외에서는 막대한 부지에서 1년 이상 염호의 물을 자연증발시켜 리튬을 회수하고 있다. 리튬 공급에는 장기간을 필요로 하기 때문에 2020년대에는 리튬이온 전지시장의 확대에 따른 리튬 수요의 급증에 대응할 수 없어 수요와 공급의 균형이 무너질 우려가 있다고 보고되고 있어 새로운 자원회수법의 확립이 국가 전략적으로 중요한 과제 중 하나가 되고 있다.

해수 중에 리튬이 상당한 양 포함되어 있는 것에 착안하여 해수로부터 리튬 자원회수기술의 개발에 착수하였다. 최초로 해수와 리튬을 포함하지 않는 회수액간(回収液間)은 이온액체를 발수성 시트에 함침시킨 리튬 분리막을 사용하여 전기의 힘에 의해 해수 중에 포함된 리튬을 회수액으로 이동시키는 리튬 자원회수법의 개발에 착수하였다. 특정 이온 액체는 리튬이온만을 선택적으로 이동시킬 수 있다는 것에 착안하여 다양한 이온액체를 이용하여 리튬이온의 이동현상을 조사하였다.

그 결과, 해수 중에 포함되는 22%의 리튬을 2시간이라는 단시간에 회수하는데 성공하였다. 또한 해수 중에 포함되는 불요원소인 나트륨 등의 회수율은 상당히 낮고, 리튬을 분리회수하기 위한 유망한 막이라는 것을 밝혀내었다. 그러나 불요원소로부터 리튬을 완전하게 분리하는 것은 불가능하기 때문에 다음 개량단계로서 이온액체 대신에 리튬만을 선택적으로 투과하는 성질을 가진 세라믹제 리튬이온 전도체를 리튬 분리막으로서 기술 개발을 개시하였다.

우선 이온액체를 사용한 막을 리튬이온 전도체로 치환하여 시험을 수행하였지만, 리튬은 전혀 투과하지 않고 리튬이온 전도체가 부서지는 현상이 발생하였다. 원인은 해수 등에 용해되어 있는 리튬은 주위를 물분자로 둘러싼 수화이온이 되기 때문에 리튬수화이온을 투과할 수 없는 이온전도체에서 전기적으로 이동시키는 것이 불가능하기 때문이라고 추론하였다.

그래서 리튬 수화이온에서 물분자를 제거하는 새로운 방법을 검토하기 시작하였다. 다양한 시험을 실시한 결과, 리튬이온 전도체의 양 끝에 전극을 완전히 접촉시키고, 해수와 리튬을 포함하지 않는 회수용액 사이에 리튬 농도차를 발생시켜 해수 중의 리튬이 자연적으로 회수용액으로 선택 이동하는 분리원리를 고안하였다. 그리고 농도차전지와 같이 리튬의 이동과 동시에 발생하는 전자를 전극에 의해 포획함으로써 전기를 발생시키면서 리튬을 회수할 수 있는 전혀 새로운 기술을 세계에서 처음으로 확립하였다.

이온전도체로서는 소재 선택시험 결과로부터 NASICON형 및 페로프스카이트형 결정구조를 가진 세라믹을 리튬 분리막으로서 사용하였다. 자원회수에는 반드시 외부로부터 에너지를 필요로 하지만, 본 기술은 리튬 분리과정에서 전기 등의 외부에너지 소비를 필요로 하지 않기 때문에 종래 염호(塩湖)로부터의 리튬 자원 회수기술과 비교하여 작은 공간, 단시간, 전기 생산 가능한 혁신적인 기술이다. 실제 해수를 이용하여 3일간 리튬 회수시험을 수행한 결과, 리튬 이외의 불요원소는 전혀 투과하지 않고, 해수에 포함된 리튬을 최대 약 7% 회수하는 데 성공하였다.

이 기술에 의해 해수뿐만 아니라 두부제조에 사용하는 간수로부터 리튬 자원회수에 성공하였다. 사용한 리튬이온 전지의 용액에서 리튬 자원회수 및 해수의 염제조와 담수화 처리 시에 폐기되는 농축해수로부터의 리튬을 포함한 각종 유용한 미네랄의 효율적인 회수 등에도 적용 가능한 파급효과가 큰 기술이다.

(그림 1) 해수로부터의 리튬회수 모식도 및 리튬 회수율
(그림 2) 리튬회수를 위한 파이롯 플랜트 모식도

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 5월 19일]