탄산리튬 생산 기술은 중요한 전환점에 서 있다. 전통적인 증발-침전법은 수십 년간 염호에서 리튬을 추출하는 주류 방식이었고, 리튬 운모 배소법은 이춘의 리튬 배터리 산업을 뒷받침해 왔다. 그러나 두 방식 모두 본질적인 한계를 지니고 있다. 염호법은 마그네슘-리튬 비율이 높은 염수에 속수무책이며, 운모법은 회수율이 낮고 잔여물이 많다는 문제가 있어 오랫동안 업계의 고질적인 우려 사항으로 남아 있었다. 지난 2년간 실험실과 파일럿 라인에서 새로운 기술들이 잇따라 등장했다. 일부는 이미 산업적 검증을 마쳤지만, 다른 일부는 여전히 재료 안정성과 스케일업 효과 문제에 발목이 잡혀 있다. 아래에서는 염호와 경암이라는 두 가지 주요 경로를 논의한다.
염호 경로: '천일 건조'에서 직접 리튬 추출로의 패러다임 전환
염호에서 리튬을 추출하는 전통적인 방식은 '농축-침전'이다. 염수를 증발지로 퍼 올려 수개월간 태양 증발을 통해 리튬 농도를 높인 후, 불순물을 제거하고 침전시키는 것이다. 이 방법은 칠레 아타카마와 칭하이 차르한의 초기 프로젝트에서 효과적이었지만, 티베트의 탄산염형 염호와 마그네슘-리튬 비율이 높은 황산마그네슘 아형 염수를 마주하면 증발 경로는 다량의 탄산염으로 인해 방해를 받거나, 마그네슘과 리튬의 유사한 화학적 성질 때문에 분리가 어려워진다.
중국과학원 공정공정연구소가 개발한 '신형 리튬 이온 흡착제 + 이산화탄소 탈착' 기술은 이 분야에서 가장 대표적인 돌파구다. 그 핵심은 극성-비극성 상승 작용기를 결합한 신형 흡착제로, 리튬 이온에 대한 선택성이 기존 망간계 또는 티타늄계 이온 체에 비해 월등히 높다. 2024년 티베트 제쩌차카 염호(해발 4,600m)에 100톤급 파일럿이 구축되었다. 운영 데이터에 따르면 나트륨-리튬 질량비가 염수 내 240에서 1.0 미만으로 떨어졌고, 리튬 회수율은 90%를 넘었으며, 담수 소비량은 기존 흡착-막 방식의 100톤 수준에서 제품 1톤당 52톤으로 감소했고, 잔류 염수의 COD는 원료의 배경 수준에 근접했다.
난점은 고고도 지역에서의 엔지니어링 구현에 있다. 제저차카의 파일럿 설비는 4개월간 운전하며 흡착 용량이 안정적으로 유지되었지만, 100톤급에서 1만 톤급으로 확장하려면 연속 이동층에서의 유체 분포 균일성, 반복적인 흡착-탈착 사이클에서의 흡착제 기계적 마모, 이산화탄소 기-액-고 3상 탈착의 물질 전달 효율 등 모두 엔지니어링 스케일업의 고전적 난제들이다. 이 기술은 과학기술 성과 평가에서 “국제 선도” 수준으로 인정받았지만, 실제 대규모 생산에 진입하려면 최소 1,000톤급 이상의 검증을 한 차례 더 거쳐야 한다.
미네랄스솔트레이크의 “원수 염수 흡착 리튬 추출” 기술은 한 걸음 더 앞서 있다. 2025년 3월, 세계 최초의 1만 톤급 고효율 염호 원수 리튬 추출 설비가 칭하이 이리핑에서 시운전에 들어갔으며, 착공부터 완공까지 불과 7개월이 걸렸다. 기술적 핵심은 황산마그네슘 아형 염호에 적합한 흡착식 리튬 추출법으로, 염수 전처리가 필요 없고 고마그네슘·고칼륨·고나트륨의 복잡한 시스템을 직접 처리한다. 리튬 자원 종합 회수율은 기존 공정의 약 2배에 달한다. 이 설비는 1년 이상 연속 안정 운전 중이며, 설비 부하율과 제품 합격률 모두 설계 기대치를 충족했다.
이 기술이 가져온 진전은 구조적이다. 기존 공정은 칼륨을 먼저 추출한 후 리튬을 추출하는 방식으로, 각 단계에서 리튬이 비말 동반 손실로 희석되었다. 원수 염수 직접 리튬 추출은 증발 농축 단계를 건너뛰어 공정을 대폭 단축하고 회수율을 기존 30~40%에서 80% 이상으로 끌어올렸다. 칭하이의 다수 황산마그네슘 아형 염호에 이 경로는 복제 가능하다.
전기 제어 흡착은 더욱 첨단적인 방향이다. 중국과학원 칭하이염호연구소 류중 팀은 망간이 티타늄 자리를 치환한 스피넬 소재(H₁.₃₃Ti₁.₁₇Mn₀.₅O₄)를 개발했다. 불활성 티타늄계 소재의 구조적 안정성과 망간의 전기화학적 활성을 활용해, 전기 제어 흡착 공정에서 43.58mg/g의 리튬 흡착 용량과 420.6의 Li/Na 분리 계수를 달성했다. 이 기술의 핵심 난제는 “전기화학적 활성과 구조적 안정성의 모순”이다. 티타늄계 흡착제는 안정적이지만 전기화학적으로 불활성이고, 망간계는 활성이 있지만 사이클 중 망간 용출로 구조 붕괴가 발생한다. 팀이 망간으로 티타늄을 부분 치환한 전략은 본질적으로 양자 간 균형점을 찾은 것이지만, 장기 사이클에서의 망간 용출과 전극 열화는 여전히 산업화의 핵심 장애물이다. 이 연구는 아직 실험실 단계로, Nano Letters와 Environmental Science & Technology에 발표되었으며 파일럿 테스트까지는 여전히 거리가 있다.
운모 경로: “링 형성” 문제 극복
장시 이춘의 리튬 운모 리튬 추출은 융싱머티리얼즈, 장터모터 등 기업군을 지탱하고 있지만, 전통적인 황산염 배소법에는 오랫동안 해결되지 않은 공정 문제가 있다. 바로 회전 가마 링 형성이다. 고불소 운모 광석 배소 시 불화물이 칼륨-나트륨 염과 반응해 저융점 공융물을 형성하고, 이것이 가마 벽에 부착·성장하여 결국 잦은 가동 중단과 청소를 초래한다. 설비 부식과 낮은 회수율도 또 다른 두 가지 문제점이다.
중국알루미늄인터내셔널 창사연구소가 주도한 “리튬 운모 고효율 리튬 추출 기술 및 설비” 프로젝트는 이 세 가지 문제를 정확히 겨냥한다. 팀은 “용융염 치환 배소 기술”을 독자 개발해 배소 반응 경로를 근본적으로 바꾸어 저융점 상의 형성을 억제함으로써 링 형성과 부식의 근본 원인을 해결했다. 회수 측면에서는 침출액 중 칼륨, 루비듐 등 유가 금속의 종합 회수 기술과 고순도 탄산리튬을 위한 전 공정 불순물 제거 공정을 개발했다. 이 프로젝트는 현재 융싱특수강, 링넝리튬, 펑신스다이, 이춘룽판스다이 등 여러 프로젝트에서 산업화 적용과 안정 운전을 달성했으며, 광미 중 산화리튬 함량 0.3% 미만, 가용성 리튬 0.02% 미만을 기록했다.
이 기술 구현의 의미는 “복제 가능성”에 있다. 이춘의 리튬 운모 추출 생산능력은 막대하지만 생산업체별 공정 수준이 제각각이고, 링 형성과 회수율 문제가 오랫동안 비용 경쟁력을 제약해 왔다. 여러 프로젝트에서 검증된 표준화된 기술 패러다임은 이춘 리튬 운모 산업 전체의 비용 절감에 직접적인 효과를 가진다. 중국비철금속공업협회가 “국제 선도”로 평가한 주된 이유는 실험실에서 다중 프로젝트 산업화로의 도약을 완성했기 때문이다.
추출 경로의 “주변부 혁신”
용매 추출은 염호 리튬 추출에서 주류가 아닌데, 추출제의 선택성과 환경 압력이 항상 문제였기 때문이다. 그러나 중국과학원 공정공정연구소 팀은 리튬 함유 용액용 추출 시스템을 개발해 수상 스트리핑과 CO₂ 스트리핑이라는 두 가지 새로운 스트리핑 방식을 제안했으며, 리튬 회수율 99% 이상, 배출수 COD 10ppm 미만을 달성했다. 적용 시나리오는 매우 구체적이다. 바로 리튬 침전 모액이다. 기존 탄산리튬 생산에서 침전 후 모액은 상당량의 리튬을 함유하며 보통 전단 공정으로 반송되어 재처리되는데, 공정이 복잡하고 수율이 낮다. 이 추출 시스템은 고나트륨-칼륨 모액에서 직접 1단계로 리튬을 추출해 탄산리튬 또는 염화리튬을 생산할 수 있다. 칭하이 싱화리튬염의 1만 톤급 생산라인과 티베트 제저차카의 파일럿 라인에서 실증되었으며, 장시 주링리튬의 1만 톤급 리튬 침전 모액 추출 라인이 건설 중이다. 한계는 처리 용량에 있다. 추출법은 고농도 리튬 용액 처리에 적합하지만, 리튬 농도가 수십~수백 mg/L에 불과한 원수 염수의 경우 추출제 손실과 유기상 비말 동반이 경제적 문제가 된다.
아직 스케일업되지 않았지만 주목할 만한 방향
전기화학 직접 리튬 추출은 특허 활동이 가장 활발한 분야 중 하나다. 특허 지형을 보면 산업은 “단일 소재 최적화”에서 “시스템 레벨 통합”으로 전환 중이다. 멤브레인 통합 전기화학 시스템, 다중 구획 패러데이 반응기, 흡착-전기화학 하이브리드 아키텍처가 혁신의 주류가 되었다. 주목할 신호 하나는 선도 특허의 약 26%가 최종 제품으로 탄산리튬이 아닌 수산화리튬을 목표로 한다는 점이다. 이는 고니켈 삼원계 양극재의 수산화리튬 수요 증가와 직접 LiOH 생산 공정 경로가 진지하게 고려되고 있음을 반영한다. 다만 전기화학 경로의 산업화 병목은 명확하다. 장기 전극 사이클 열화, 멤브레인 파울링(특히 고마그네슘-리튬 비 염수에서), 시스템 레벨 에너지 소비 최적화가 그것이다. 흡착은 현재 가장 성숙한 DLE 경로이며, 전기화학 및 멤브레인 방식은 여전히 “추가 스케일업 검증 필요” 단계에 머물러 있다.
광열 결합 및 태양광 구동 흡착도 주목할 만한 방향이다. 태양에너지로 흡착제 또는 탈착 용액을 직접 가열해 공정 에너지 소비를 줄이는 아이디어다. 티베트, 칭하이 등 일조 자원이 풍부한 염호 지역에서 흡착-탈착의 열 소비를 태양열 활용과 결합할 수 있다면 한계 비용이 매우 경쟁력 있을 것이다. 다만 아직 초기 연구 단계로, 소재 및 시스템 설계에 관한 엔지니어링 데이터가 매우 부족하다.
결론
탄산리튬 생산 기술의 경쟁 초점은 “만들 수 있는가”에서 “저비용·친환경적으로 안정적으로 만들 수 있는가”로 이동했다. 염호 원수 직접 리튬 추출의 1만 톤급 검증은 핵심 이정표다. 미네랄스솔트레이크의 이리핑 설비가 2~3년 주기로 흡착제 수명과 공정 안정성을 입증한다면, 칭하이와 티베트의 염호 개발에 실질적인 비용 구조 재편을 가져올 것이다. 운모 경로의 용융염 치환 배소는 기존 생산능력 기반 위의 효율 개선이며, 그 가치는 이춘의 고비용 생산능력에 숨 쉴 여지를 주는 데 있다. 전기 제어 흡착과 전기화학 직접 리튬 추출은 더 먼 미래를 대표한다. 잠재력은 기존 방식으로 경제적 활용이 불가능한 저품위 자원과 비전통 염수(유전수, 지열 염수)를 처리할 수 있다는 데 있지만, 소재 안정성과 시스템 통합 문제는 1~2년 안에 해결될 수 없다. 업계가 지금 진정으로 추적해야 할 것은 미네랄스솔트레이크 이리핑 설비의 장기 운전 데이터, 중국과학원 공정공정연구소 탄산염형 염호 기술의 1,000톤급 스케일업 진전, 창사연구소 기술의 이춘 도입 속도다. 이 세 라인의 구현 리듬이 향후 수년간 중국 탄산리튬 비용 곡선의 형태를 결정할 것이다.
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