탄산리튬(Lithium Carbonate)

주요물성

분자식 : Li2CO3, 분자량 : 73.89 g/mol, 밀도 : 2.11 g/㎤, 녹는점 : 723 ℃, 끓는점 : 1,310 ℃

용해도 : 1.29 g/100 mol(at 25 ℃)

 

주요 용도

탄산리튬은 리튬 이온 배터리에 사용되는 화합물의 전구체, 양극성 장애, 기분 장애 치료 등의 의약품으로 사용된다. 탄산리튬은 수산화칼슘과의 복분해 반응으로 수산화리튬으로 비교적 손쉽게 전환되며, 배터리 양극제, 전해질 등에 사용될 수 있다.

 

Li2CO3 + Ca(OH)2 → 2 LiOH + CaCO3

 

또한, 탄산리튬은 도자기 유약에서 융제(flux)의 역할을 하는데 융점감소, 광택 및 색상의 개선, 투명도 향상, 기타 색상 조정 등에 사용된다. 또한 유리 제조에서도 용융온도 감소, 열팽창 계수 감소, 투명도 및 균일성 향상에 사용되며, 특수 유리 등의 제조에도 많이 사용된다.

 

탄산리튬은 19세기 방광의 결석을 치료하는데 사용되었으며, 일부 의사들은 통풍, 요로결석, 류머티즘, 조울증, 두통 등의 여러 질병에 리튬염을 사용한 요법을 권장하였다. 1948년 존 케이드(John Cade)는 리튬 이온의 항조증 효과를 발견하여 정신과 약물로 사용되기 시작하였다. 단 장기간의 리튬 복용은 중추신경계와 신장에 영향을 미칠 수 있으며, 치명적일 수 있다. 탄산 리튬은 불꽃놀이에서 붉은색을 만드는데 사용되기도 한다.

그림. 탄산리튬 정제(출처 TAJ PHARMA, Eastchemy.com)

 

생산

탄산리튬은 남아메리카 안데스 산맥 고지대에 있는 염수호수에서 리튬이 녹아있는 염수를 퍼올린 후 증발시켜 추출하여 생산한다. 이곳의 염수는 염화나트륨이 대부분이지만, 증발 등의 과정에서 농도가 증가함에 따라 염화리튬을 제외한 광물들이 먼저 석출되서 제거되고, 최종적으로 염화리튬이 다량 녹여져 있는 농축액을 용매추출, 이온교환, 탄산나트륨과의 반응 등을 이용하여 탄산리튬을 생산할 수 있다.

 

대표적인 곳이 칠레의 아타카마 사막, 아르헨티나의 살라르 델 움브레 무에르토, 볼리비아의 우유니 소금사막 등이 있다. 이와 같은 방식의 장점은 채굴 비용이 저렴하며, 환경에 미치는 악영향이 비교적 적다는 것이다. 그러나, 증발시간이 길다는 단점이 있다(최대 15개월).

탄산리튬은 경암(스포듀민, Spodumene, 분자식 : LiAl(SiO3)2) 광석에서 직접 채굴되기도 하며, α-스포듀민을 1100°C에서 1시간 열처리하여 β-스포듀민을 만든 다음 황산으로 250°C에서 10분 동안 재열처리하면 탄산리튬을 만들 수 있다. 이와 같은 방법은 호주에서 많이 사용되며, 현재 전세계적으로 수산화리튬, 탄산리튬 등 리튬 광물, 화합물을 가장 많이 생산하는 국가는 호주이다. 중국은 염수를 이용한 방법과 스포듀민을 이용하는 방법을 복합적으로 사용한다.

2022년 기준 오스트레일리아(호주)는 세계에서 가장 리튬광물을 많이 생산하는 국가이며, 2위는 칠레, 3위는 중국이었으며, 이들 국가가 전세계 탄산리튬 공급의 대부분을 차지한다. 2024년 기준 리튬을 기준으로 하였을 때 호주는 88,000 ton, 칠레는 49,000 ton, 중국은 41,000 ton의 리튬(혹은 리튬광물)을 생산하였다. 이 외에도 폐 배터리에서 리튬 광물을 회수하는 방법도 연구되고 있다.

위의 방법들로 탄산리튬만 제조하는 것이 아니라 수산화리튬을 위시한 다양한 리튬계 화합물을 제조할 수 있다.

 

천연 탄산 리튬광물은 Zabuyelite로 알려져 있는데, 1987년 티베트의 자부예 호수에서 발견되었다. Zabuyelite는 무색 유리질의 단사정계 결정이다.

 

그림. 증발 등을 이용한 탄산리튬 생산 (출처 : pubs.rsc.org)

​