리튬(Li)의 특성

오늘날 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 노트북, 무선 이어폰 선풍기, 헤어드라이어, 무선 청소기, 전기차의 배터리로 사용되면서 현대인들의 라이프 스타일의 변화를 이끌고 있습니다. 이러한 리튬 이온 배터리의 핵심 소재라 할 수 있는 리튬에 대하여 알아보겠습니다. 

 

전기차 배터리 작동 원리 및 구성 요소

 

원소 

리튬은 원자 번호 3번으로 가장 밀도가 낮고 가벼운 금속성 원소입니다. 원자량 6.941, 녹는점이 180.54℃, 끓는점은 1347℃, 비중 0.534를 가집니다. 주기율표에서 1족에 속하는 알칼리 금속이기에 덩어리를 물에 넣으면 화학 반응이 격렬하게 일어나 폭발하게 됩니다. 그래서 보통 파라핀과 같은 기름 속에서 보관하고 있습니다.

리튬을 처음 발견한 것은 1817년 스웨덴 화학자 아르프베드손이 엽장석(페탈라이트)의 화학분석 중 알 수 없는 물질이 포함 되어 있는 것을 발견했고 그 후 불꽃 반응에 의해 새로운 원소 리튬의 존재를 밝혀내었습니다. 참고로 리튬은 은백색을 띠고 있는 금속이고 불꽃색은 빨간색을 띠고 있습니다. 

 

물리적 속성

리튬은 상온 상태에서 가장 가벼운 고체입니다. 밀도가 0,534 g/cm³ 로써 -260 ^oC에서 고체가 되는 수소만이 더 가볍습니다. 수소의 밀도는 0.0763 g/cm³ 입니다. 리튬은 상당히 무른 금속이라서 칼로 쉽게 자를 수도 있습니다. 절단면은 은백색의 금속 면을 가지지만 공기 중의 산소에 의해 산화되어 검은색으로 변합니다. 열전도율은 구리의 18% 정도입니다. 리튬 이온은 높은 수화 엔탈피(약 -520kJ/mol)를 가지고 있기 때문에 물속에서 완전하게 수화물이 되어 물을 강하게 끌어당기는 특성을 가집니다. 

 

화학적 속성

리튬은 반응률이 가장 낮은 알칼리 금속임에도 불구하고 여전히 매우 쉽게 반응이 일어나고 열을 발산하고 다종의 다른 원소들과 화합물을 이루는 특성을 가집니다. 완전하게 건조된 공기 내에서는 안정된 상태를 유지하지만 습도가 높아지게 되면 급격하게 수산화 리튬(LiOH) 층을 형성하게 됩니다. 건조한 공기 내에서도 다른 알칼리 금속과는 다르게 질소와 반응하여 질화 리튬(Li₃N)을 형성합니다. 물과 닿으면 급격하게 산화하는 특성을 가집니다. 따라서 보관할 때는 공기를 구성하는 산소나 질소와의 반응을 막기 위해 등유나 파라핀유에 담아서 보관합니다. 

 

위험성

액체 상태에서 공기와 접촉하거나 산소를 100 ^oC 이상 온도에서 만나게 되면 발화합니다. 온도가 190 ^oC를 넘으면 공기와의 접촉으로 대부분이 산화 리튬을 형성하고 그 과정에서 많은 양의 열을 방출합니다. 산소를 포함한 물질과는 폭발적인 반응을 일으킬 수 있습니다. 또한 피부에 닿게 되면 리튬이 피부의 수분과 반응하게 되어 많은 열을 발산하게 되고 이때문에 상처나 화상을 입을 수 있습니다. 그렇기 때문에 실험할 때도 습기가 있는 곳에서 하게 되면 수분과 반응할 수 있기 때문에 굉장히 위험하기 때문에 큰 주의가 필요합니다. 

 

용도

리튬의 활용도가 가장 높은 것이 리튬 이온 배터리입니다. 리튬 이온 배터리는 기존에 사용되던 니카드전지나 니켈 금속 수소 전지에 비해 가벼우며 용량이 커서 현재 대부분의 휴대용 전자기기에 적용되고 있습니다. 하지만 앞서 언급된 바와 같이 발화의 위험성이 있기 때문에 안전성에 대한 기준이 까다로워지고 있고 특히 리튬 계열 배터리를 탑재한 전자기기의 항공기 보안 검사가 아주 까다로워 지고 있는 추세입니다. 현재에 이르러서는 전기 자동차 시장이 확대되고 판매량이 가파르게 증가하면서 대용량의 리튬 이온 배터리의 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 상황입니다. 이밖에도 산업용이나 의학용으로도 사용되고 있습니다.

 

매장량 및 주요 산출국

지각에서 리튬이 차지하고 있는 양은 0.006%로 아연, 구리, 텅스텐보다 조금 작고, 코발트, 주석, 납보다 조금 더 많습니다. 하지만 리튬은 높은 반응 특성 때문에 순수한 형태로 발견하기는 매우 어렵습니다. 보통 몇 가지 광물에 포함되어 있습니다. 예를 들면 인반석은 리튬 함량 9% 정도이며 비교적 높은 리튬 함유량을 가진 광물로는 리튬휘석, 운모, 엽장석등이 있습니다. 주요 리튬 생산국으로는 볼리비아, 칠레, 아르헨티나, 미국, 호주, 중국 등이 있습니다. 현재 전 세계 리튬 매장량의 60%가 남미권에 위치해 있습니다.