MIT 연구진이 전기차와 에너지 저장 장치(ESS) 배터리의 핵심 원소인 리튬을 저비용, 친환경적으로 추출하는 새로운 화학 공정을 개발했습니다. 이 기술은 기존의 고온 소성 방식 대신 약산인 플루오르화 암모늄을 사용하여 광석 내 리튬을 효율적으로 녹여내며, 스타트업 '록 제로(Rock Zero)'를 통해 상용화를 추진 중입니다. 이번 연구는 리튬 확보에 따른 지리적, 환경적 제약을 해결하고 배터리 생산 비용과 탄소 배출량을 획기적으로 낮출 수 있는 게임체인저로 평가받습니다.
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연구진은 전기차(EV)와 에너지 저장 장치(ESS)를 구동하는 리튬이온 배터리에 사용되는 핵심 금속인 리튬을 추출하는 새로운 방법을 찾아냈다고 발표했다. 이 새로운 기술은 기존 방식보다 환경 친화적이고 비용이 저렴할 것으로 기대된다. 이 연구는 오늘 날(현지시간) 저널 '사이언스(Science)'에 게재되었으며, '록 제로(Rock Zero)'라는 스타트업이 이 공정을 상용화하기 위해 노력하고 있다.
이 연구의 저자 중 한 명인 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 차이 예트밍(Yet-Ming Chiang) 교수는 포에너지(Form Energy)와 애디스 에너지(Addis Energy) 등 기후 기술 기업을 설립한 연쇄 창업가이다. 그는 "대규모 상용화 단계에 이르면 세계에서 가장 저렴한 리튬 조달 방식이 될 것이라고 확신한다"고 말했다. 현재 리튬을 얻는 가장 경제적인 방법은 암석에서 수천 년에 걸쳐 금속 성분이 빠져나온 짠물인 '염수(brine)'에서 추출하는 것이다. 하지만 이 기술은 지리적으로 제한되어 있으며, 거대한 증발 저수지를 만들기 위해 넓은 토지가 필요하다. 더 보편적인 방법은 '경암 광업(hard-rock mining)'으로, 거대한 광석을 폭파하여 고온에서 굽고 위험한 화학물질을 사용해 가공하는 방식이다.
연구진의 새로운 방법은 약산을 이용해 일반적으로 반응성이 낮은 규산염 광물을 녹여내는 원리다. 이 과정에서 리튬뿐만 아니라 알루미나(산화 알루미늄)와 실리카(이산화 규소) 같은 다른 유용한 재료도 함께 추출된다. 이 연구와 후속 창업의 배경은 차이 교수가 설립한 전기화학 기술로 시멘트를 제조하는 또 다른 스타트업인 '서블라임 시스템즈(Sublime Systems)'에서 시작되었다. 당시 팀은 더 강한 시멘트를 형성하기 위해 고반응성 실리카 공급원을 찾고 있었다. 다른 물질과 쉽게 결합할 수 있는 반응성 물질을 만드는 한 가지 방법은 비반응성 물질을 녹였다가 다시 더 반응성이 높은 형태의 고체로 굳히는 것이다. 규산염을 녹이는 것이 불가능한 것은 아니지만, 널리 알려진 방법은 극히 위험한 화학물질인 '플루오르화 수소산(hydrofluoric acid)'을 사용하는 것이다. 불소를 함유한 다른 화학물질들도 대안이 될 수 있지만, 일부는 반응 과정에서 부산물로 플루오르화 수소산을 생성한다.
차이 교수는 규소로 만들어진 유리와 관련된 과거 집수리 프로젝트에서 영감을 얻었다. 그는 "약 25년 전 매사추세츠주 프레이밍햄에서 샤워실을 리모델링한 적이 있다"며 "이 프로젝트를 시작할 때 유리 에칭 크림이 생각나서 '그 안에 뭐가 들어있을까?'라고 생각했다"고 회상했다. 공예점이나 주택 개량 센터에서 쉽게 찾을 수 있는 그 유리 에칭 크림은 약산인 '플루오르화 암모늄(ammonium fluoride)'을 사용한다. MIT 연구진은 적절한 조건에서 이 물질이 반응 과정에서 플루오르화 수소산을 생성하지 않고도 규산염 광물을 효과적으로 녹일 수 있다는 사실을 발견했다.
이 화학 반응은 종류가 매우 다양한 규산염 광물 전체에 적용될 수 있다. 그중에서도 리튬 채굴에 주로 사용되는 광물인 '스포듀멘(spodumene)'이 가장 첫 번째 주요 타깃이 되었다. (차이 교수는 전 미국 첨단 에너지 연구국(ARPA-E) 관리이자 기업 고문인 더그 윅스(Doug Wicks)의 제안이 팀을 스포듀멘으로 이끌었다고 밝혔다.) 오늘날 스포듀멘 광석 가공의 핵심 단계는 초고온의 가마(kiln)에서 이를 굽는 것이다. 이로 인해 상 변화가 일어나며, 본질적으로 재료가 팽창하여 리튬 추출이 더 쉬워진다. 록 제로의 공동 창립자이자 CEO이자 이 연구의 저자인 캠든 헌트(Camden Hunt)는 이러한 초고온에 도달할 필요가 없어지면 에너지 비용을 절약하고 잠재적으로 탄소 배출량도 줄일 수 있다고 말했다. 가마 사용을 피하면 제대로 로스팅할 수 없는 일부 광석도 사용할 수 있게 된다고 헌트는 덧붙였다. 철분이 너무 많이 함유된 광석은 상 변화가 제대로 일어나지 않고, 대신 녹아서 유리질의 형태로 변해버린다.
새로운 공정은 단순히 저어주는 플라스틱 탱크에 의존하며, 최대 약 95°C(200°F)의 온도에서 진행된다. 플루오르화 암모늄이 규산염을 녹이며, 초기 실험에서는 며칠 안에 스포듀멘 광석 내 리튬의 거의 전부를 추출할 수 있었다. 이 연구의 제1저자이자 록 제로의 최고기술책임자(CTO)이자 공동 설립자인 벤저민 모브레이(Benjamin Mowbray)는 연구진이 이 추출 시간을 12시간 미만으로 단축했다고 밝혔다.
Researchers say they’ve found a new way to extract lithium, a crucial metal used in the lithium-ion batteries that power electric vehicles and energy storage arrays. This new technique could be more environmentally friendly and cheaper than existing ones. The research was published today in Science, and a startup called Rock Zero is working to commercialize the process. “At scale, we believe this will be the lowest-cost way of sourcing lithium in the world,” says Yet-Ming Chiang, one of the study authors, who is an MIT professor and a serial entrepreneur behind climate tech companies including Form Energy and Addis Energy . The most economical way to get lithium currently is to extract it from brine, salty water that’s pulled the metal out of rock over the course of millennia. But this technique is geographically limited and currently requires vast tracts of land for massive evaporation pools. The more common tactic is hard-rock mining, where large bodies of ore are blasted apart, cooked at high temperatures, and processed using dangerous chemicals. The researchers’ new method uses a weak acid to dissolve typically nonreactive silicate minerals. That frees not only the lithium but also other useful materials, including alumina and silica. The origin story for this research, and the resulting company, came from another startup founded by Chiang, Sublime Systems , which makes cement using electrochemistry. The team was trying to find a source of highly reactive silica in order to form stronger cement. One way to make reactive materials, which can bond easily with other materials, is to take a nonreactive material, dissolve it, and then allow it to become solid in a more reactive form. It’s not impossible to dissolve silicates, but the best-known way is to use hydrofluoric acid, an extremely dangerous chemical. Other fluorine-containing chemicals are candidates too, but some will produce hydrofluoric acid as a side product during reactions. Chiang drew inspiration from a previous home renovation project involving glass, which is made of silica. “I was remodeling a shower in Framingham, Massachusetts, about 25 years ago,” he says. “So when we started this project, I remembered that glass etching cream and thought, ‘What’s in that?’” The glass etching cream he remembered, which can be found on shelves at any craft or home improvement store, uses ammonium fluoride, a weak acid. And the MIT researchers discovered that in the right conditions, it can effectively dissolve silicate minerals without producing hydrofluoric acid in the process. This chemistry could be useful for any silicate minerals—and there are a lot of them. But spodumene, the mineral that’s often mined for lithium, became a prime first target. (Chiang says a suggestion from Doug Wicks, one of the company’s advisors and a former ARPA-E official, pointed the team in spodumene’s direction.) Today, a key step in processing spodumene ore is to roast it in a kiln at super-high temperatures. This causes a phase transformation, essentially puffing up the material and making the lithium more accessible. By avoiding the need to reach these temperatures, you could save on energy costs and potentially reduce carbon emissions as well, says Camden Hunt, one of the authors of the study and the CEO and cofounder of Rock Zero. Avoiding the kiln could also unlock the ability to use some ores that can’t be roasted properly, Hunt adds. Ore that contains too much iron won’t go through the phase change correctly, instead melting and turning into a glassy material. The new process relies on simple stirred plastic tanks and takes place at temperatures up to about 95 °C (200 °F). The ammonium fluoride dissolves the silicates, which in earlier experiments allowed nearly all of the lithium inside the spodumene ore to be extracted within a couple of days. The researchers have since cut this time to under 12 hours, says Benjamin Mowbray, first author of the study and the CTO and cofounder of Rock Zero. The products (after some additional steps to clean them up) are lithium carbonate, which can be used to make batteries; alumina, which can go into a smelter to make aluminum; and cementitious silica, which can be added into concrete. And the acid can be reused in the same loop. Chiang calls this “nose-to-tail” mining—using every part of the ore provided, like eating every part of a butchered animal. The researchers are currently working to scale and optimize the process. The tanks in the lab in Cambridge, Massachusetts can handle three kilograms of spodumene concentrate in each batch. They have also estimated the cost of this process once fully scaled up. Assuming that the ammonium fluoride can be recycled at a high level, they should be able to extract lithium for less than $6,000 per metric ton. (They’ve identified a potential cheap industrial source of the acid as well, as an alternative to recycling it.) The total cost is projected to be lower than that of other processes used to extract lithium from hard-rock ore today, and it could be competitive with brine. The team has designed a pilot plant and is looking for space to build it. The plan is to have construction done by the end of 2026 and start operating the facility in 2027. Talks are underway with potential partners in the mining industry. One difficulty for new players in lithium extraction is the volatility of the market: Prices have seen huge swings in recent years, from a peak in 2022 to lows in late 2024 and a slow climb starting in early 2026. Rising prices might benefit new players like Rock Zero, but there are many projects that could come online if prices continue to rise, and that could bring the market right back down, says Simon Jowitt, chair of exploration geology at the University of Nevada, Reno. “People are waiting to see what happens with the lithium price,” he says. “It’s a crowded market, and there’s some big players out there.” And even though batteries are driving up demand for lithium, the market is still relatively small, Jowitt adds: “That means it’s going to be volatile.” New lithium extraction technologies like Rock Zero’s will have to compete with methods used by existing giants, and there’s also the potential that technological alternatives, like sodium-ion batteries that don’t need lithium, could make the market more difficult to navigate, Jowitt says. He also thinks some of the company’s economic estimates could be optimistic. For its part, Rock Zero’s team hopes not only to scale this technology for lithium, but to use it for other minerals in the future. As Mowbray says, “The Earth’s crust is made of silicates.” Deep Dive Climate change and energy The balcony solar boom is coming to the US Plug-in panels are getting popular—how do we make sure they’re safe? By Casey Crownhart archive page Is fake grass a bad idea? The AstroTurf wars are far from over. Around the country, heated debates are taking place over whether to install artificial turf, pitting neighbors against each other. By Douglas Main archive page The noise we make is hurting animals. Can we learn to shut up? The good news is it’s a problem we can solve if we want to. By Clive Thompson archive page Digging for clues about the North Pole’s past To understand what the future holds for Earth’s northernmost waters, scientists are burrowing deep below the seabed. 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