탄산 리튬

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1. 개요
2. 용도
3. 생산
4. 화학적 성질 및 반응
참조

1. 개요

탄산 리튬은 리튬 이온 배터리의 핵심 원료로 사용되는 중요한 산업 화학 물질이다. 주로 배터리 양극재의 전구체로 사용되며, 유리 및 세라믹 제조, 의약품, 불꽃놀이, 알루미늄 제련 등 다양한 용도로 활용된다. 탄산 리튬은 주로 광석(스포듀민) 또는 염수에서 추출되며, 생산 과정에서 황산 리튬 또는 염화 리튬을 거쳐 탄산나트륨과 반응하여 얻는다. 탄산 리튬은 1843년 방광 결석 치료에 사용되었으며, 1948년 양극성 장애 치료제로 사용되기 시작했다.

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탄산 리튬 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
탄산 리튬 결정 구조
2
Li+ 이온 구조
탄산 이온 구조
탄산 리튬
IUPAC 이름	탄산 리튬
다른 이름	다이리튬 탄산염 카볼리스 시발리스-S 듀라리스 에스칼리스 리탄 리티진 리토비드 리토네이트 리토탭스 프리아델 자부옐라이트
식별 정보
CAS 등록번호	554-13-2
ChemSpider ID	10654
UNII	2BMD2GNA4V
ChEMBL	1200826
ChEBI	6504
PubChem	11125
RTECS	OJ5800000
KEGG	D00801
InChI	1/CH2O3.2Li/c2-1(3)4;;/h(H2,2,3,4);;/q;2*+1/p-2
InChIKey	XGZVUEUWXADBQD-NUQVWONBAY
SMILES	'[Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O'
표준 InChI	1S/CH2O3.2Li/c2-1(3)4;;/h(H2,2,3,4);;/q;2*+1/p-2
표준 InChIKey	XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L
특성
화학식	Li2CO3
몰 질량	73.89 g/mol
외형	무취의 흰색 가루
밀도	2.11 g/cm³
녹는점	723 °C
끓는점	1310 °C
끓는점 주석	~1300 °C 부터 분해됨
용해도	1.54 g/100 mL (0 °C) 1.43 g/100 mL (10 °C) 1.29 g/100 mL (25 °C) 1.08 g/100 mL (40 °C) 0.69 g/100 mL (100 °C)
다른 용매에 대한 용해도	아세톤, 암모니아, 알코올에 불용
용해도 곱	8.15e-4
굴절률	1.428
점성	4.64 cP (777 °C) 3.36 cP (817 °C)
자기 감수율	−27.0·10−6 cm3/mol
열화학
표준 깁스 자유 에너지 변화	−1132.4 kJ/mol
표준 생성 엔탈피	−1215.6 kJ/mol
엔트로피	90.37 J/mol·K
열용량	97.4 J/mol·K
위험성
GHS 그림 문자	'[[파일:GHS07.svg\|30px]]'
신호어	경고
유해 문구	H302 H319
예방 문구	P305+351+338
외부 SDS	ICSC 1109
주요 위험	자극제
인화점	불연성
LD50	525 mg/kg (경구, 쥐)
관련 화합물
다른 양이온	탄산 나트륨 탄산 칼륨 탄산 루비듐 탄산 세슘
다른 음이온	황산 리튬 염화 리튬 수소화 리튬 수산화 리튬 브롬화 리튬 플루오린화 리튬 아이오딘화 리튬
다른 화합물	탄산염

2. 용도

탄산 리튬은 중요한 산업 화학 물질이다. 주요 용도는 리튬 이온 배터리에 사용되는 화합물의 전구체이다. 또한 유리 제조에 사용되어 오븐용 내열 식기 등에 쓰이며, 세라믹 유약의 융제나 착색 보조제로도 활용된다. 시멘트의 경화 속도를 높이는 데 사용되기도 하며, 알루미늄 제련 공정에서는 알루미늄 삼불화물에 첨가되어 리튬 플루오라이드(LiF)를 형성, 공정 효율을 높이는 전해질로 사용된다.^[8]

2. 1. 리튬 이온 배터리

탄산 리튬은 리튬 이온 배터리에 사용되는 화합물의 주요 전구체로서 중요한 산업 화학 물질이다. 탄산 리튬에서 파생된 화합물은 리튬 이온 배터리 생산에 매우 중요하다.

실제로 리튬 이온 배터리의 두 가지 주요 구성 요소인 양극과 전해질은 리튬 화합물로 만들어진다. 전해질은 육불화인산리튬 용액이며, 양극에는 여러 종류의 리튬 화합물이 사용되는데, 가장 널리 쓰이는 것으로는 산화 코발트 리튬(LCO)과 인산철 리튬(LFP)이 있다.

탄산 리튬은 중간체로서 수산화 리튬으로 전환될 수도 있으며^[8], 사용되는 양극재의 종류에 따라 탄산 리튬 또는 수산화 리튬이 선택적으로 활용된다.

2. 2. 유리 및 세라믹

탄산 리튬에서 유래한 유리는 오븐용 내열 식기(오븐웨어)에 유용하게 사용된다. 탄산 리튬은 낮은 온도 및 높은 온도에서 굽는 세라믹 유약 모두에 흔히 사용되는 성분으로, 이산화 규소(실리카) 및 다른 물질들과 함께 녹는점을 낮추는 융제(플럭스) 역할을 한다. 또한 탄산 리튬의 알칼리성은 세라믹 유약에 포함된 금속 산화물 착색제, 특히 산화철의 상태를 변화시켜 색상 발현에 영향을 준다.^[8] 탄산 리튬을 첨가하여 만든 시멘트는 더 빨리 굳기 때문에 타일 접착제로도 유용하게 쓰인다.

2. 3. 의약품

1843년에 탄산 리튬은 방광의 결석 치료에 처음 사용되었다.^[9] 이후 1859년에는 일부 의사들이 통풍, 요로 결석, 류머티즘, 조증, 우울증, 두통 등 다양한 질병 치료에 리튬 염 요법을 권장하기도 했다.^[9]

본격적으로 의약품으로 사용되기 시작한 것은 1948년 오스트레일리아의 정신과 의사 존 케이드가 리튬 이온의 항조증 효과를 발견하면서부터이다.^[9] 이 발견으로 탄산 리튬은 양극성 장애의 조증 상태를 치료하는 주요 정신과 약물 중 하나로 자리 잡게 되었다.

약국에서 처방받는 의약품용 탄산 리튬은 인체에 사용하기에 적합하지만, 산업용 탄산 리튬은 유해 중금속이나 기타 독성 물질을 안전하지 않은 수준으로 포함할 수 있어 절대로 복용해서는 안 된다. 섭취된 탄산 리튬은 체내에서 약리학적 활성을 갖는 리튬 이온(Li⁺)과 비활성 탄산염으로 해리된다. 일반적으로 탄산 리튬 300mg에는 약 8 mEq (8 mmol)의 리튬 이온이 포함되어 있다.^[10]

미국 식품의약국 (FDA)에 따르면, 성인의 양극성 장애 I형 유지를 위해 일반적으로 탄산 리튬 300mg에서 600mg을 하루에 두세 번 복용한다.^[10] 그러나 정확한 복용량은 환자의 혈청 리튬 농도, 신장 기능 등 다양한 요인에 따라 달라지므로, 의사의 면밀한 관찰과 처방이 필수적이다. 이는 리튬 독성이나 리튬으로 인한 신성 요붕증 및 잠재적인 신장 손상, 심하면 신부전까지 이를 수 있는 심각한 부작용을 예방하기 위함이다.^[11]^[10] 특히 탈수 상태이거나 이부프로펜과 같은 NSAID 계열 약물을 복용하면 혈청 리튬 농도가 위험 수준까지 증가할 수 있으며, 반대로 카페인은 리튬 농도를 감소시킬 수 있다.^[10] 나트륨, 칼륨, 칼슘 이온과 달리, 세포 내 리튬 농도를 특이적으로 조절하는 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 리튬은 상피 나트륨 채널을 통해 세포 안으로 들어가는 것으로 알려져 있다.^[17]

리튬 이온의 정확한 작용 기전은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만^[14], 뇌 세포로 전달되는 신호를 조절하는 이온 수송 과정에 영향을 미치는 것으로 생각된다.^[12] 조증 상태는 뇌 내 단백질 키나아제 C (PKC) 활성의 비정상적인 증가와 관련이 있는데, 탄산 리튬은 발프로산 나트륨과 마찬가지로 이 PKC의 활성을 억제하여 기분 안정 효과를 나타내는 것으로 보인다.^[13]

탄산 리튬 복용에는 주의해야 할 위험과 부작용이 따른다. 정신 질환 치료를 위해 리튬을 장기간 사용하면 후천성 요붕증이 발생할 수 있다.^[15] 또한, 리튬 중독은 중추신경계와 신장에 심각한 손상을 줄 수 있으며, 심한 경우 치명적일 수 있다.^[16] 리튬은 장기간 복용 시 신장의 주세포에 축적되어 수분 재흡수를 조절하는 항이뇨 호르몬 (ADH)의 작용을 방해할 수 있다.^[17] 신장의 집합관 계통은 정상적으로 높은 나트륨 농도를 유지하는데, 세포가 리튬 이온과 나트륨 이온을 명확히 구분하지 못하므로 탈수, 저나트륨혈증, 지나치게 낮은 나트륨 식이, 특정 약물 복용 등으로 인해 체내 리튬 농도가 과도하게 높아지면 네프론 손상을 일으킬 수 있다.^[17]

2. 4. 기타 용도

탄산 리튬에서 유래한 유리는 내열성이 뛰어나 오븐용기 등에 유용하게 사용된다. 또한 저화도 및 고화도 세라믹 유약의 일반적인 성분으로, 실리카 및 기타 물질과 함께 저융점 플럭스를 형성한다. 그 알칼리성 특성은 세라믹 유약의 금속 산화물 착색제(특히 산화철)의 상태를 변화시키는 데 도움이 된다. 탄산 리튬을 첨가하여 만든 시멘트는 더 빠르게 굳기 때문에 타일 접착제로 유용하다.

리튬은 불꽃 반응 시 짙은 적색의 불꽃을 내므로, 탄산 리튬은 불꽃놀이에서 붉은색을 내는 데 사용된다.^[18]

알루미늄 제련 공정인 홀-에루법에서는 에너지 효율 향상을 위해 탄산 리튬이 첨가된다. 알루미늄 삼불화물에 첨가하면 불화 리튬이 형성되어 알루미늄 가공을 위한 우수한 전해질을 생성하는데,^[8] 이는 높은 전도성으로 전해욕의 저항을 감소시키고 필요한 전해 전압을 낮추어 에너지 효율을 향상시킨다.^[50]^[51]^[52]

용융 탄산염 연료 전지(MCFC)의 전해질로도 사용된다. 일반적으로 탄산 칼륨과 몰 비 68:32로 혼합하여 고온에서 용융시켜 사용한다. 이 방식은 높은 발전 효율과 귀금속 촉매가 불필요하다는 장점이 있지만,^[47] 고온에서 용융된 탄산염의 부식성 때문에 재료 열화로 인한 짧은 수명이 문제가 된다.^[48] 이를 해결하기 위해 전해질 성분을 리튬/나트륨계로 변경하거나 전해질에 탄산 칼슘을 첨가하는 등 다양한 장수명화 기술이 검토되고 있다.^[49]

3. 생산

리튬은 주로 두 가지 주요 원료에서 추출된다. 하나는 페그마타이트 퇴적물에 포함된 스포듀민과 같은 광석이고, 다른 하나는 지하 염수 웅덩이에 녹아 있는 리튬 염이다. 2020년에는 전 세계적으로 약 82,000톤의 리튬이 생산되었으며, 생산량은 지속적으로 증가하는 추세를 보인다.^[21]

리튬은 광석이나 함수(염수)를 채굴하여 생산된다. 어떤 원료를 사용하든 추출된 리튬은 대부분 탄산 리튬(Li₂CO₃) 형태로 먼저 생산되는 경우가 많다. 이 때문에 다른 리튬 화합물들은 탄산 리튬을 출발 원료로 하여 이차적으로 제조되며, 리튬 생산량 통계 역시 탄산리튬 환산량(LCE: Lithium Carbonate Equivalent)으로 표시하는 것이 일반적이다.^[43]^[44]

생산 공정을 간략히 보면, 광석을 원료로 할 경우에는 황산리튬(Li₂SO₄) 형태로, 함수를 원료로 할 경우에는 염화리튬(LiCl) 형태로 리튬을 농축하고 정제한다. 이후 두 경우 모두 탄산나트륨(Na₂CO₃)과 반응시켜 최종적으로 탄산 리튬 침전물을 얻는다.^[43] 이렇게 생산된 탄산 리튬은 그 자체로 사용되거나, 수산화리튬, 리튬 이온 2차 전지의 양극 재료(예: 코발트산 리튬, 니켈산 리튬) 등 다른 중요한 리튬 화합물을 만드는 데 기본 재료로 활용된다.^[43]^[45]

3. 1. 광석 기반 생산

알파-스포듀민은 1100°C에서 1시간 동안 구워 베타-스포듀민으로 만들고, 이를 황산과 함께 250°C에서 10분 동안 구워 황산리튬 형태로 추출한다.^[30]^[22]^[43] 이렇게 얻어진 황산리튬 용액에 탄산나트륨을 반응시키면 탄산 리튬 침전물을 얻을 수 있다.^[43]

\text{Li}_2\text{SO}_4 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow \text{Li}_2\text{CO}_3 \downarrow + \text{Na}_2\text{SO}_4

2020년 기준으로 오스트레일리아는 세계 최대의 리튬 중간체 생산국이었으며, 이 모든 생산은 스포듀민 광석에 기반을 두고 있다.^[31]

최근 몇 년 동안, 광산 회사들은 증가하는 제품 수요를 충족하기 위해 북아메리카, 남아메리카 및 오스트레일리아 전역에서 탄산 리튬 프로젝트에 대한 탐사를 시작했다. 이를 통해 경제성 있는 매장량을 식별하고 새로운 탄산 리튬 공급을 확보하려는 노력이 이루어지고 있다.^[32]

3. 2. 염수 기반 생산

칠레 북부 아타카마 사막의 아타카마 염호 등에서는 염수로부터 탄산 리튬과 수산화 리튬을 생산한다.^[22]^[23] 염수 기반 생산 방식은 주로 남아메리카의 "리튬 삼각지" 지역에서 이루어진다.

이 생산 과정은 리튬 함량이 높은 지하 염수를 얕은 증발 연못으로 펌핑하는 것에서 시작된다. 염수에는 다양한 이온이 녹아 있는데, 햇빛과 바람에 의해 물이 증발하면서 염분의 농도가 점차 높아진다. 농도가 증가함에 따라 용해도가 낮은 염부터 차례로 침전되어 가라앉는다. 남은 상등액(윗물)은 다음 단계의 연못으로 옮겨진다. 연못의 순서는 염수에 포함된 이온의 종류와 농도에 따라 달라질 수 있다.

첫 번째 연못에서는 주로 할라이트(염화 나트륨, 즉 소금)가 결정화되어 침전되는데, 이는 경제적 가치가 거의 없어 폐기된다. 남은 상등액은 실바나이트(염화 칼륨-염화 나트륨 광물), 카날라이트(염화 칼륨-염화 마그네슘 광물) 등이 침전되는 연못을 차례로 거치게 된다. 마지막 단계의 연못은 염화 리튬(LiCl)의 농도를 최대한 높이도록 설계되어 있다. 전체 증발 및 농축 과정은 약 15개월이 소요된다.

이렇게 얻어진 고농축 염화 리튬 용액(30-35% 농도)은 추가 정제 시설(예: 살라르 델 카르멘)로 운반된다. 이곳에서 불순물인 붕소와 마그네슘을 제거한다. 일반적으로 붕소는 용매 추출법이나 이온 교환법으로 제거하고, 마그네슘은 수산화 나트륨(NaOH)을 첨가하여 용액의 pH를 10 이상으로 높여 침전시켜 제거한다.^[24] 정제가 끝난 용액에 탄산 나트륨(Na₂CO₃)을 첨가하면 최종 생산물인 탄산 리튬(Li₂CO₃)이 침전된다. 이 반응식은 다음과 같다.

`2LiCl + Na₂CO₃ → Li₂CO₃↓ + 2NaCl`

이렇게 얻어진 탄산 리튬 침전물을 분리하고 건조하는 등의 가공 과정을 거쳐 제품화한다. 증발 과정에서 생성되는 일부 부산물들은 경제적 가치를 지녀 함께 판매되기도 한다.

리튬은 염수 외에 광석에서도 채굴되는데, 광석을 원료로 하는 경우에는 황산리튬(Li₂SO₄) 형태로, 함수(염수)를 원료로 하는 경우에는 염화리튬(LiCl) 형태로 농축 및 정제하는 과정을 거친다. 두 경우 모두 최종적으로 탄산 나트륨과 반응시켜 탄산 리튬을 얻는다.^[43]

황산리튬 반응: `Li₂SO₄ + Na₂CO₃ → Li₂CO₃ + Na₂SO₄`
염화리튬 반응: `2LiCl + Na₂CO₃ → Li₂CO₃↓ + 2NaCl`

어떤 방식으로 생산되든, 추출된 리튬은 대부분 탄산 리튬 형태로 먼저 생산되는 경우가 많으며, 다른 리튬 화합물들은 이 탄산 리튬을 출발 원료로 하여 이차적으로 제조된다. 이 때문에 리튬 생산량 통계는 탄산리튬 환산량(LCE: Lithium Carbonate Equivalent)으로 표시하는 경우가 흔하다.^[43]^[44] 예를 들어, 수산화리튬(LiOH)은 탄산 리튬을 물과 섞어 슬러리 상태로 만든 뒤 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응시켜 만들고,^[43] 리튬 이온 2차 전지의 양극 재료로 쓰이는 코발트산 리튬(LiCoO₂)이나 니켈산 리튬(LiNiO₂) 등도 탄산 리튬과 해당 금속 산화물을 혼합하여 고온에서 소성하는 방식으로 제조된다.^[45]

수산화리튬 제조 반응: `Li₂CO₃ + Ca(OH)₂ → 2LiOH + CaCO₃↓`

염수 기반 리튬 생산은 아타카마 사막과 같이 물이 부족한 지역에서 대량의 물을 사용한다는 점에서 환경적 우려가 제기되고 있다. 칠레의 리튬 생산 기업인 SQM은 자체적으로 생애 주기 평가(LCA)를 실시하여, 자사의 탄산 리튬 및 수산화 리튬 생산 과정이 스포듀민과 같은 광석을 사용하는 공정보다 물 소비량이 현저히 낮다고 발표했다. 그러나 다른 일반적인 LCA 연구에서는 염수 저수지에서 리튬을 추출하는 방식이 오히려 더 많은 물을 소비할 수 있다고 지적하기도 한다.^[25] 이는 리튬 생산의 지속가능성에 대한 중요한 논쟁 지점이다.

3. 3. 기타 생산 방식

지열정에서 지표면으로 올라오는 뜨거운 물(침출수)은 리튬의 잠재적인 공급원으로 여겨진다.^[26] 실제로 현장에서 리튬을 회수하는 기술이 입증되었으며, 비교적 간단한 침전 및 여과 과정을 통해 리튬을 분리할 수 있다.^[27] 이 방식은 이미 운영 중인 지열 발전소의 시설을 활용하기 때문에 추가적인 환경 비용 부담이 적고, 전반적인 환경 영향 측면에서도 긍정적일 수 있다는 장점이 있다.^[28] 예를 들어, 영국 콘월주 레드루스 근처 유나이티드 다운스 딥 지열 발전 프로젝트에서 나오는 염수는 리튬 농도가 220 mg/L로 높고, 추출을 방해하는 마그네슘 함량은 5 mg/L 미만으로 매우 낮다. 또한, 총 용존 고형물 함량도 29g/L 미만이며 유량도 초당 40~60리터에 달해 경제성이 높은 것으로 평가받는다.^[29]^[25]

석유 및 가스 생산 과정에서 발생하는 폐수 염수에서도 리튬을 추출하려는 시도가 이루어지고 있다. 2017년 4월, 캐나다 기업 MGX 미네랄스는 자체 개발한 신속 리튬 추출 공정을 통해 유전 폐수 염수에서 리튬 및 기타 유용한 광물을 회수하는 기술에 대해 독립적인 검증을 받았다고 발표했다.^[38]

사용 후 배터리 재활용을 통해 리튬을 회수하는 기술 또한 중요한 대안으로 떠오르고 있다. 일부 기업들은 폐배터리에서 구리나 코발트와 같은 유가 금속을 회수하는 데 집중하면서, 동시에 탄산 리튬이나 Li₂Al₄(CO₃)(OH)₁₂⋅3H₂O 형태의 화합물로 리튬을 회수하는 기술을 개발하고 있다.^[34]^[35]^[36]^[37]

해수에 포함된 막대한 양의 리튬을 추출하기 위한 연구도 진행 중이다. 전기투석과 같은 방법이 제안되었으나, 아직은 경제성을 확보하지 못해 상업적으로 널리 사용되지는 못하고 있다.^[39]

이 외에도 새로운 방식의 리튬 추출 기술이 연구되고 있다. 2020년 테슬라 모터스는 미국 네바다주의 점토 퇴적물에서 기존 방식과 달리 산을 사용하지 않고 염분만을 이용해 리튬을 추출하는 혁신적인 공정을 개발했다고 발표했으나, 일부 전문가들은 이 기술의 실현 가능성에 대해 회의적인 시각을 나타내기도 했다.^[33]

4. 화학적 성질 및 반응

탄산 나트륨이 최소 3개의 결정수를 형성하는 것과 달리, 탄산 리튬은 무수 형태로만 존재한다. 물에 대한 용해도는 다른 리튬 염에 비해 낮으며, 실온에서는 물 100ml에 1.33g 밖에 녹지 않는다. 이러한 낮은 용해도는 리튬 광석의 수성 추출물에서 리튬을 분리하는 데 이용된다.^[8]^[19] 또한, 탄산 리튬은 뜨거운 물에서 용해도가 감소하는 성질을 이용하여 정제할 수도 있다. 포화 수용액을 가열하면 순수한 탄산 리튬 결정이 석출된다.^[20]

탄산 리튬의 용해도는 약간의 이산화 탄소 압력 하에서 10배 증가하는데, 이는 용해성이 더 높은 준안정성 탄산 수소 리튬(LiHCO₃)이 형성되기 때문이다.^[8]^[19]

Li₂CO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ 2 LiHCO₃

이 반응을 이용하여 고압의 이산화 탄소 환경에서 탄산 리튬을 추출하고, 압력을 낮추어 다시 침전시키는 방식은 퀘벡 공정의 기초가 된다. 탄산 리튬 수용액은 알칼리성을 나타낸다.

다른 알칼리 금속의 탄산염처럼 탄산 리튬도 쉽게 탈카복실화되지 않으며, 약 1300°C의 고온에서 분해되어 산화 리튬(Li₂O)과 이산화탄소를 생성한다. 또한, 다른 무기 염류와 마찬가지로 다형성을 가진다.

참조

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