도요타, 테슬라 등 전기차 기업들이 리튬 광물 확보에 나서고 있다. 생산 기술의 혁신 등 다양한 차별화를 통해 신규 기업들이 진입하면서 기존 메이저 리튬 기업과의 경쟁 강도가 높아지고 있다. 안정적인 리튬 확보를 위한 전략적 포트폴리오가 요구되고 있다.

매년 10월이면 전세계 과학자들의 시선은 북유럽에 쏠린다. 노벨상 수상자 발표 때문이다. 이웃나라 일본에서는 4년 연속 수상자가 나올지 관심이 높다. 유력한 수상 후보로 거론되고 있는 혁신 성과 중 하나가 리튬이온전지다. 리튬(Lithium) 금속은 폭발성이 있어 전지 안전성에 문제가 있었는데 1991년 소니와 아사히 카세이 과학자들은 이를 혁신적으로 개선함으로써 오늘날의 모바일 시대를 열었기 때문이다. 리튬이라는 원소의 지명도를 높인 공로도 있다. 리튬은 유리 제조, 윤활유 첨가제, 항공기 합금 등 전지 외에 이미 다양한 목적으로 사용되고 있다. 기존 시장 대부분이 GDP 성장률 수준의 성장을 하는 전통 산업들이라 리튬 가격을 크게 변동시킬 만한 요인은 없다. 그러나 리튬 가격이 지난해에 3배 이상 폭등하면서 세간에 주목을 받고 있다. 전기차 성장의 기대 수요 때문이다. 여기에 중국의 전기차 생산 및 리튬 수요 급증과 수출 규제가 가격을 자극했다.
리튬이온전지 기술의 혁신으로 이제 주행거리 500km 전기차가 가시권에 들어올 것으로 기대되고 있다. 전지 혁신이 가속화되면서 자동차 기업들은 대규모 전기차 출시 계획을 발표하고 있다. 현재 리튬 수요 시장의 85%는 모바일전지, 유리, 윤활유 등 기존 시장의 수요이며 전기차용 수요는 15% 이하이다. 전기차 및 에너지 저장(ESS) 시장이 본격 성장한다면 전지 핵심 소재 중 하나인 리튬 수요는 자연스레 증가할 것이다. 2025년에는 이러한 신규 분야 비중이 60%에 달할 전망이다. 결과적으로 10년후 리튬 전체 수요는 지금보다 3배 이상 증가할 전망이다. 가격도 수급 상황에 따라 과거 평균인 톤당 7천달러대보다 높게 형성될 것으로 보인다.

도요타, 테슬라 등 자동차 기업들의 리튬 경쟁

전기차용 리튬 수요 증가는 전지와 소재 기업들의 관심사를 넘어 자동차 기업들로 확대되고 있다. 리튬 수요 대비 공급 불확실성에 따른 사업 리스크 헤징을 위해서다. 도요타, 테슬라, BYD 등 자동차 기업들은 각각 전기차 시장에서 주도권을 강화하기 위해 안정적인 리튬 확보에 나서고 있다.
글로벌 자동차 시장 1위 기업 도요타는 이미 리튬에 대한 선제적인 준비를 해왔다. 도요타는 ‘모든 것을 직접 해본다’는 정신을 가지고 있다. 이러한 정신은 전지 사업에 이어 리튬 광구 지분 투자로 이어졌다. 그룹 내 상사 역할을 하는 도요타 통상은 2011년에 호주의 광산 기업 오로코브레와 올라즈(Olaroz) 리튬 프로젝트를 추진하는 특수목적회사(SPC)를 공동 설립했다. 올라즈 광구는 2015년에 완공되어 연간 최대 17,500톤 생산 능력(Capa)를 확보했다. 향후 25년이상 채굴이 가능할 것으로 전망된다. 도요타 통상의 지분은 25%이지만 합작시 계약 조건(오프테이크)을 기반으로 채굴량 100%를 확보했다. 뿐만 아니라 생산비용이 알버말(Albemarle), SQM 등 메이저 기업들에 뒤지지 않을 정도로 경쟁력이 있어 높은 수익성도 전망된다. 가동률을 점차 올리는 중으로 도요타 통상은 그룹내 전지기업 PEVE 등에 공급한다. 도요타자동차는 리튬 원광에서 전기차까지 수직계열화를 강화할 것으로 전망된다.
전기차 시장 트렌드를 선도하고 있는 테슬라는 우선 북미 대륙 내에서 리튬 확보에 적극적이다. 테슬라는 2014년에 리튬 채굴 신기술을 가진 스타트업을 3억 2500만달러에 인수 시도한 사실이 최근에 알려졌다. 비록 인수 조건이 맞지 않아 불발됐지만, 테슬라가 리튬 수급을 위해 원천 기술 확보까지도 고려할 만큼 큰 관심을 가지고 있음을 보여주는 사례였다. 그리고 2015년에 테슬라는 북미에 있는 광물 기업들과 2건의 리튬 공급 계약을 연달아 체결했다. 소노라(Sonora) 리튬 프로젝트1는 작년 8월에 공급 계약이 성사되어 현재 개발 중인 단계다. 생산을 개시하면 3만 5천 톤에서 5만톤 수준의 생산 능력을 보유할 전망이다. 또한 퓨어 에너지 미네랄(Pure Energy Minerals)과 9월에 리튬 장기 공급 계약을 체결했다. 북미 대륙에서 원광확보에서 전기차까지 수직계열화 계획을 실현해 나가고 있다.
전기차 시장 1위 기업 중국 BYD는 중국 내륙의 리튬 광산에 직접 투자할 예정이다. BYD와 중국 칭하이 솔트레이크, 선전 훙다퉁은 2016년 6월 새로운 유한책임회사를 설립한다고 발표했다. BYD의 지분은 48%이다. 신규 설립 회사를 통해 생산될 탄산 리튬은 BYD가 우선적으로 매입할 권리를 가진다. 신규 설립된 회사가 확보 예정인 광산에서는 2017년부터 최대 4만톤 가량의 리튬이 채굴될 전망이다. 전기차 한 대당 40~80kg의 리튬이 필요한 점을 감안하면 연간 최대 100만대를 생산할 수 있는 규모다. BYD는 동일한 지역에 연간 10GWh 규모의 전지 공장도 건설할 계획이다. 리튬 수급과 전지 생산을 일원화하여 원가 경쟁력을 더욱 높일 것으로 보인다.

Big 4 중심의 독점 시장 구조 점차 와해

리튬 채굴 및 정련 시장은 미국 알버말, FMC, 중국 티엔지(Tianqi), 칠레 SQM 등 4개 기업이 2015년 기준 80% 이상 시장을 점하고 있다. 사실상 소수 기업에 의한 과점 체제다. SQM과 FMC는 비료, 살충제 등 농화학 사업을 주로 하다가 90년대 후반부터 칠레, 아르헨티나에서 본격적으로 리튬 생산을 시작한 기업이다. 반면에 알버말과 티엔지는 지분 인수 합병을 통해 리튬 사업에 본격 뛰어든 기업이다. 미국 알버말은 석유 정제, 스페셜티 화학 소재 중심의 기업이다. 2014년에 리튬 사업을 하고 있던 락우드(Rockwood) 홀딩스를 62억달러에 인수하면서 알버말은 리튬 시장 1위 기업으로 올라섰다. 티엔지는 중국의 자본력을 기반으로 중국 내륙에서 리튬 사업을 해오다 2012년 락우드의 호주 광산 지분 51%를 인수하면서 세계 최대 리튬 광산 보유 기업으로 올라섰다. 최근에 SQM 보유 지분 2%를 늘려 인수를 시도하고 있다.
리튬 공급 물량과 가격이 이들 소수 기업에 의해 좌우되다 보니 전지 소재 기업들의 시장 영향력(Bargaining Power)은 제한적이다. 일반 금속과 같이 글로벌 거래소가 있는 것도 아니고 선물 거래도 없다. 2015년 리튬 가격 폭등 요인 중 하나가 FMC의 판가 인상과 SQM의 파업으로 인한 생산 차질 등 소수 메이저 기업들로 인해서였다. 그러나 이러한 독점적인 시장 구도는 점차 변화할 것으로 보인다. 리튬 시장의 매력도가 높아지면서 신규 광산 프로젝트들이 추진되고 있기 때문이다. 리튬 시장에 기존 강자들 외에도 신규 진입 기업들이 늘어난다는 의미다. 기존 4개 기업의 시장 점유율이 현재 80% 이상이라면 앞으로 10년 뒤에는 40% 수준으로 내려갈 전망이다. 캐나다 에니지(Enirgi), 호주 필바라 미네랄, 중국 로컬 기업 등 10개 기업들이 신규 채굴 프로젝트를 추진 또는 검토 단계에 있다. 물론 리스크 요인도 있다. 프로젝트 착수부터 안정적 생산까지 장기간이 소요되기 때문에 신규 진입 기업들의 프로젝트가 일정대로 진행되지 못할 수 있다. 또한 염호의 경우 일조량 등 제어 불가능한 요소들이 존재한다. 이런 요인들로 몇몇 프로젝트들은 좌초될 수 있겠지만, 결과적으로는 기존 강자들의 시장 포지션이 약화될 것으로 보인다.

리튬 생산 방식의 혁신과 수산화리튬의 부상

리튬 생산은 두 가지 방식으로 이뤄지고 있다. 염호라 불리는, 염분이 있는 호숫물을 마치 천일염을 얻듯이 증발시킨 뒤 추가 가공을 통해 리튬을 생산하거나 내륙의 광산에서 광물 채취 후 후가공을 통해 얻는다.
그러나 앞으로는 화학반응을 이용해 염수에서 리튬을 직접 추출하는 방식 등 기술 혁신을 통한 새로운 생산 방식이 변화를 주도할 가능성이 크다. 대표적으로 화학 반응을 이용한 기술은 이제까지의 생산 방식과는 달리 거대 규모의 증발못이 필요하지 않고 기후 변화에도 영향을 받지 않는다. 무엇보다도 리튬 추출 속도를 대폭 개선시켜 1~2년 걸리는 시간을 최소 8시간으로 단축시킬 수 있다. 리튬 회수율도 기존 50% 대비 90%로 높일 수 있다. 현재 포스코, 캐나다 화학 기업 에니지가 이러한 기술로 주목 받고 있다. 포스코는 2010년부터 국책 과제를 시작으로 자체적인 연구개발을 통해 독자적인 리튬 추출 기술을 개발했다. 이를 활용하여 아르헨티나 포즈엘 염호에 연간 2500톤 급의 생산 공장을 건설 중이다. 2016년 말 완공을 목표로 하며, 시장 상황에 따라 4만톤까지 규모를 늘릴 계획이다. 에니지는 2014년 호주원자력과학기술기구와 협력하여 유사한 추출 기술을 개발해냈다. 화학 반응을 이용한 기술을 바탕으로 에니지는 2016년 7월에 아르헨티나 린콘 염호의 연간 5만톤 생산 프로젝트 타당성 평가를 완료했고, 2017년 초부터 시험 생산에 들어가게 될 전망이다. 두 기업 모두 소규모 단위에서 생산에 화학반응을 이용해 염수에서 리튬을 직접 추출하는 새로운 생산 방식이 변화를 주도할 가능성이 크다.
성공하며 기술 검증을 마친 상황이다. 실증을 마친 후, 대규모 생산 단계에서 경쟁 우위를 보이게 된다면 업계 내에서 차별적인 기술 혁신의 사례가 될 것이다.
리튬에서 예상되는 또 하나 변화 가능성은 리튬 화합물 중 수산화리튬의 수요 증가이다. 현재 전세계 리튬 시장에서 가장 많이 거래되는 리튬 화합물은 탄산리튬으로 약 50%를 차지하고, 수산화리튬이 20%로 그 뒤를 잇는다. 전지용 고순도 리튬은 모두 탄산리튬이 사용되고 있다. 그러나 전지가 고용량화되면서 전지기업들은 고용량화에 유리한 수산화리튬 적용을 고려하고 있다. 리튬 메이저 기업들은 수산화리튬 수요에 대응하기 위해 증산을 계획하고 있다. 중국 티엔지는 수년 내에 2만톤 규모의 수산화리튬 생산을 증설하겠다고 밝힌 바 있으며, FMC도 수산화리튬 생산 규모를 3배로 증가시키기 위해 준비 중이다. 수산화리튬을 생산하기 위해서는 광석에서 추출 시 석회법을 사용하거나, 탄산리튬을 재가공하여 만들어야 하기 때문에 추가적인 비용이 발생한다. 그러나 장기적으로 전지용 수산화리튬 필요성이 더 높아진다면, 규모의 경제를 통한 생산 원가 절감의 선순환이 실현될 여지가 있다.

리튬에 대한 전략적 확보 방안이 필요

지금의 리튬이온전지가 차세대 전지로 바뀐다 해도 리튬에어전지, 리튬설퍼전지 등이고 여기에도 리튬이 사용된다. 연료전지 등 대체재의 혁신이 있다 해도 리튬은 여전히 쓰일 것이다. 전지 기업과 전지 소재 기업들은 전기차와 에너지저장용 전지 수요의 성장에 대비해 핵심 원재료인 리튬 확보를 고민하고 있다. 최근 리튬 가격 급등으로 전지 소재 기업과 전지 기업간에 리튬 가격을 전지 원가에 반영하는 것을 두고 소송까지 이어졌다. 어떻게 정리되든 돈을 번 기업은 리튬 기업들이었다.
리튬은 희소금속인가? 답은 아니다이다. 사실 매장량이 매우 많다. 조사 기관에 따라 차이가 있지만, 1억톤에 가깝다. 흔히 납땜에 쓰이는 납(Pb)보다 매장량이 많다고 알려져 있다. 리튬이 희귀해서 고갈될 우려는 적다. 그러나 리튬이 다른 소재로 빠르게 대체될 가능성 또한 크지 않다. 수요가 계속 확대되고 있는 리튬 시장은 상당기간 기존 리튬 기업뿐 아니라 자동차 및 전지 기업들의 관심이 높은 시장이 될 것이다.
리튬의 국제 거래 시장은 아직 없기 때문에 리튬을 확보하기 위해서는 장기 계약, 지분투자, 프로젝트 참여 등 다양한 선택이 가능할 것이다. 기업들 입장에서는 저렴한 가격에 확보하기 위해 앞서 사례를 든 도요타나 BYD처럼 내재화까지 고려할 수 있다. 그러나 이는 제조업 기업이 광물 자원 사업까지 하는 것을 의미하기 때문에 사업 관점에서는 단순한 문제가 아닐 수 있다. 그림은 좋으나 업의 특성 차이는 득보다 실이 큰 결과를 남기기도 한다. 편향되기 보다는 다양한 방법을 활용한 전략적 포트폴리오가 요구되고 있다.

전통적인 리튬 생산 방식

리튬을 생산하는 방식은 내륙의 광석에서 얻는 채광 방법(mining)과 염수를 증발시켜 얻는 방법(brine) 두 가지로 나뉜다. 두 가지 방식은 비용, 소요 시간, 기술 수준 등에서 차이를 보인다.
광석에서 추출하는 방식은 다른 광물들과 마찬가지로 광산에서 채광/선광/정련의 작업을 거치는 방법이다. 전세계 리튬 생산량의 40~50%를 차지한다. 주로 호주와 중국 광산들에서 이루어지는데, 대개 페그마타이트 광상에서 스포듀민, 레피도라이트, 앰블리고나이트 등의 형태로 리튬 광물을 얻을 수 있다. 이 중 스포듀민 광물이 95%로 대부분이며 중국 광산들에서는 일부 레피도라이트 형태로 채굴되고 있는 실정이다. 채굴한 스포듀민을 황산법이라 하여 황산과 반응시켜 황산리튬을 만들고 이를 다시 가공하여 탄산리튬을 얻어내고 있다. 석회를 이용해 스포듀민을 수산화리튬 형태로 얻어낼 수도 있으나 수요를 고려해 탄산리튬을 주로 생산하고 있다. 염호에서 추출하는 방식에 비해 생산 소요 시간이 짧아 물량 변경시 대응이 용이하지만 생산비용은 더 높은 편이다.
염호에서 추출하는 방식은 리튬을 함유하고 있는 천연의 해수나 온천수를 증발시켜 리튬을 얻는 방법이다. ‘리튬 트라이앵글’이라 불리는 칠레-아르헨티나-볼리비아 등에서 생산된다. 볼리비아의 우유니 염호, 칠레의 아타카마 염호, 아르헨티나의 옴브레 무에르토 염호 등이 리튬 함유 비율이 높은 편이다. 염수를 태양열을 이용해 증발못에서 농축시킨 뒤, 염화나트륨, 염화칼륨을 분리시키고 마그네슘을 침전시켜 제거하고 나면 탄산리튬을 얻을 수 있다. 우리나라에서 유명세를 탄 우유니 염호는 리튬 함유량이 풍부하지만 리튬 대비 마그네슘 함유 비율도 높다. 마그네슘을 처리하는 과정에서 발생하는 높은 비용으로 인해 경제성 확보가 어려워 생산하지 못하고 있다. 염호 추출 방식의 단점은 1~2년의 긴 추출 시간이 필요해 시장 대응력이 떨어진다는 점이다. 게다가 태양열을 이용한 건조 방식이기 때문에 폭우, 눈보라 등으로 일사량이 줄어들면 생산량에 영향을 미칠 수밖에 없다.

출처 : LG경제연구원