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- 2024년 리튬 가공량은 약 20만 5천 톤으로, 2018년의 약 두 배,
- 2030년까지 리튬 수요가 약 45만 5천 톤에 이를 것
- 물고기처럼 헤엄치는 초소형 나노로봇을 이용해 해수에서 리튬 이온을 포획
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▲ 해수에는 대량의 리튬이 매장되어 있다. © jamesteohart / depositphotos.com

[더사이언스플러스 문광주 기자]  최근 몇 년 동안 전 세계 리튬 수요는 주로 전기 자동차와 전력망용 고정형 배터리 저장 장치의 증가로 인해 급격히 증가했다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 2024년 리튬 가공량은 약 20만 5천 톤으로, 2018년의 약 두 배에 달했다. IEA는 2030년까지 리튬 수요가 약 45만 5천 톤에 이를 것으로 예측하고 있다. 

 

현재 전 세계 리튬 생산량의 대부분은 호주(36%), 칠레(20%), 중국(17%)에서 생산되며, 이들 국가에서는 지하 염수 매장지 채굴과 일반 광물 채굴을 통해 리튬을 추출한다. 해수에는 상당량의 리튬이 함유되어 있지만, 현재 농도가 매우 낮아 산업용으로 사용하기에는 비용이 너무 높다.

따라서 미국을 비롯한 대부분 주요 선진국들은 리튬 수요를 수입에 의존하고 있다. 이러한 상황에서 미국 국방부(DoD)는 리튬과 같은 핵심 원자재 추출을 위한 19개 프로젝트에 자금을 지원하고 있으며, 이는 국내 기업과 공급망을 강화하고 수입 의존도를 낮추는 것을 목표로 한다.

텍사스 A&M 대학교 연구팀이 물고기처럼 헤엄치는 초소형 나노로봇을 이용해 해수에서 리튬 이온을 포획하는 새로운 리튬 회수 방식을 개발하고 있다. 미국 에너지부(DOE)로부터 100만 달러의 지원금을 받은 이 프로젝트는 배터리, 전기 자동차, 에너지 저장 기술에 필수적인 핵심 광물인 리튬을 보다 효율적이고 지속 가능한 방식으로 확보하는 것이 목표다.

윌리엄 마이클 반스 산업 및 시스템 공학과(64년 졸업)의 시렌 왕(Shiren Wang) 박사와 J. 마이크 워커 기계공학과(66년 졸업)의 징징(제니) 추(Jingjing (Jenny) Qiu) 박사가 이끄는 이 프로젝트는 국가의 핵심 광물 공급망을 강화하기 위한 혁신 기술을 지원하는 DOE 사업의 일환이다.

전기 자동차, 배터리, 청정 에너지 저장 시스템이 보편화됨에 따라 리튬 수요가 급증하고 있다. 그러나 현재 리튬 생산은 주로 육상 채굴과 지하 염수 추출에 의존하고 있는데, 이러한 방식은 지리적 위치와 가용 자원에 한계가 있다. 텍사스 A&M 연구팀은 해수를 대체 자원으로 탐색하고 있으며, 리튬 회수 효율을 높이기 위해 설계된 초소형 이동 로봇을 개발하고 있다. 

▲ Credit: Getty Images

추 교수는 "땅을 파거나 지하에서 염수를 퍼 올리는 등 막대한 에너지를 필요로 하는 기존 채굴 방식과는 달리, 이 자율 마이크로/나노 로봇은 해수 속을 이동하며 사실상 기반 시설에 대한 환경적 영향을 최소화하면서 리튬을 채취한다"고 말했다.

연구팀의 기술은 빛과 같은 외부 자극으로 활성화되어 해수 속에서 이동할 수 있고, 자기장을 이용해 회수할 수 있는 특수 마이크로 및 나노 입자를 사용합니다. 물고기처럼 해수 속을 움직이는 이 마이크로/나노 로봇은 고정된 추출 방식에만 의존하는 것이 아니라 능동적으로 리튬 이온을 찾아 포획할 수 있다.

추 교수는 "해수 리튬 회수 기술은 증가하는 세계적 리튬 수요를 충족할 수 있는 안정적인 대체 자원이 될 수 있다"며, "우리의 목표는 기존 추출 방식과 관련된 환경적 영향을 줄이면서 보다 안정적인 국내 리튬 공급망을 구축하는 기술을 개발하는 것이다"고 덧붙였다.

연구팀은 로봇 성능 향상, 리튬 회수 효율 테스트, 그리고 더 큰 규모의 실증 시스템으로 기술을 확장하는 방법 개발에 집중할 예정이다. 또한 비용 효율적이고 재사용 가능하며 지속적으로 가동할 수 있는 공정을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

해수에 자연적으로 존재하는 수많은 광물로부터 리튬을 분리하는 것, 복잡한 해양 환경에서 마이크로/나노 로봇의 내구성을 확보하는 것, 그리고 이 기술을 산업 현장에 적용할 수 있도록 확장 가능성을 입증하는 것 등 여러 가지 과제가 남아 있다. 연구진은 또한 향후 배치 시 환경적 영향도 평가할 예정이다.

이 프로젝트는 텍사스 A&M 대학교의 마이크로/나노 로봇 공학 및 재료 과학·공학 분야의 강점을 활용하여 지속 가능한 핵심 광물 회수 문제를 해결하는 것이 목표다. 연구팀은 마이크로/나노 로봇 설계, 생체 모방 운동, 스마트 재료 공학, 해양 시스템 테스트 및 리튬 회수 특성 분석을 결합한 연구를 진행한다.

이 프로젝트는 미국 청정에너지 공급망을 강화하는 기술 개발을 위해 선정된 19개의 미국 에너지부(DOE) 지원 핵심 광물 프로젝트 중 하나다. 텍사스 A&M 연구팀은 능동적이고 이동 가능한 추출 기술을 개발함으로써 미래 배터리 기술과 에너지 인프라를 뒷받침하는 새로운 리튬 회수 방식을 제시하고자 한다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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