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[과학] 코발트는 왜 '하얀 석유'로 불릴까?

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은회색을 띄고 있지만, 석유처럼 사용하지 않는 곳이 없어서 ‘하얀 석유’라 불리는 물질이 있다. 바로 코발트(cobalt)다. 원자번호 27번의 원소인 이 물질은 니켈과 구리의 부산물에서 생산되는 금속이다.

코발트하면 금방 파란색이 연상될 정도로 파란색과의 연관성이 깊다. 따라서 코발트 원석도 파란색인 줄 아는 사람이 대부분이지만, 이는 잘못된 생각이다. 우리가 흔히 접하는 코발트는 파란색 물감의 원료로 사용하기 위해 알루미늄과 결합한 산화물(CoAl2O4)이다.

그런데 이 코발트때문에 요즘 들어 글로벌 산업계가 골치를 앓고 있다.

지구의 지각에 약 0.0025%만 존재하고 있어서 워낙 희소가치가 있는 물질인데다가, 전 세계 코발트의 절반 정도가 매장되어 있는 콩고민주공화국이 이중관세를 매기면서 가격이 천정부지로 솟구치고 있기 때문이다.

이에 따라 스마트폰용 배터리나 전기자동차를 제조하는 업체들은 코발트 확보 및 대체 물질 개발에 총력을 기울이고 있는 중이다.

[과학] 코발트는 왜 '하얀 석유'로 불릴까?

흔히 접하는 코발트는 파란색 물감의 원료로 사용된다 ⓒ Cobalt Development Institute

4차 산업혁명을 이끄는 제품의 필수 재료인 코발트

다행히 최근 코발트 가격이 급격하게 안정세를 찾으며 시간 여유가 생기긴 했다.

한국광물자원공사가 운영하는 한국자원정보서비스에 따르면 지난달 초를 기준으로 런던금속거래소의 코발트 현물 가격이 톤 당 5만 6500달러를 기록한 것으로 나타났다.

이는 올 들어 최고치를 기록했던 지난 3월의 9만 5500달러에 비해 약 40% 떨어진 수준이다.

이처럼 여름철에 접어 들며 코발트 가격이 급격하게 하락한 이유는 콩고를 비롯한 주요 산지의 생산량이 늘어나면서 공급량 증가에 따른 결과로 분석되고 있다.

그러나 이는 한시적인 상황일 뿐이라는 것이 전문가들의 의견이다.

코발트 매장량의 대부분을 차지하는 콩고가 생산량을 늘리며 가격이 안정화되고 있지만, 내전 등 정치적 상황이 불안하기 때문에 언제 다시 가격이 급등할 지 모른다는 것이다.

그나마 현재 가격인 5만 6500달러도 지난해 초의 가격인 2만 달러에 대비해서는 2.5배가 넘는 높은 가격이다.

[과학] 코발트는 왜 '하얀 석유'로 불릴까?

최근 6년간 코발트 가격 추이 ⓒ 광물자원공사

그렇다면 아예 코발트 수요량을 줄이는 것은 어떨까?

하지만 이는 불가능한 일이다. 코발트는 스마트폰, 전기자동차 배터리 등 4차 산업혁명을 이끌고 있는 첨단 제품들에 필수적으로 사용되는 소재다.

특히 코발트가 주요 소재로 사용되는 삼원계 배터리는 코발트 대란을 불러일으킨 장본인이다.

삼원계 배터리는 ‘니켈코발트망간(NCM)’이나 ‘니켈코발트알루미늄(NCA)’을 쓰는 배터리로서, 에너지 밀도가 높아 출력 성능이 좋다. 여기에 수명이 길고 안정성도 높아 최근 들어 수요가 급증하고 있다.

이런 와중에 불거진 인권 침해 논란도 코발트 대란에 한 몫을 하고 있다.

채굴 과정에서 어린이와 청소년의 노동력을 착취했다는 사실이 국제인권단체의 조사로 밝혀지면서 코발트 사용이 도덕적으로 지탄을 받는 상황에 까지 이르게 된 것.

이에 따라 업계는 코발트 물량을 확보하기 위한 대책에 나서면서도 한편으로는 코발트 의존도를 줄이기 위한 연구개발을 다각도로 시도하고 있다.

코발트 함량 줄이거나 아예 배제한 배터리 개발에 총력

코발트 가격의 급상승으로 가장 발등에 불이 떨어진 곳은 배터리 업계다.

이들은 제조 시 필요한 코발트 비중을 낮추는 연구에 전력을 다하고 있다.

LG화학의 경우 노트북용 배터리에 사용되는 코발트 함량을 대폭 줄인 ‘저(低) 코발트’ 배터리를 개발하겠다고 밝혔다.

기존 노트북에는 코발트 함량이 100%인 ‘리튬코발트산화물(LCO)‘ 배터리가 주로 사용되고 있다.

LG화학이 개발 중인 저코발트 배터리는 리튬 대신 니켈의 함량을 높인 ‘니켈코발트망간(NCM)’ 배터리다.

코발트 비중이 70% 정도로 줄어들어 제조단가를 내릴 수 있기에 가격 경쟁력 확보에도 유리하다는 것이 제조사 측의 설명이다.

[과학] 코발트는 왜 '하얀 석유'로 불릴까?

가격 상승으로 인해 디지털 장비에서 코발트 회수를 위한 재활용 작업이 증가하고 있다 ⓒ 연합뉴스

삼성SDI는 니켈과 코발트 그리고 망간의 비율을 변경한 전기자동차용 삼원계 배터리를 개발 중인 것으로 알려졌다.

삼원계 배터리의 기본은 NCM배터리로서 니켈과 코발트, 망간의 비율은 6:2:2다. 연구진은 여기에 니켈 함량을 높여 구성비를 8:1:1로 바꾸는 작업을 진행하고 있다.

이에 대해 업계 관계자는 “니켈은 배터리의 밀도를 높이는 데 있어 핵심적인 원료”라고 밝히며 “배터리에서 니켈 함량이 높아지면 용량을 높일 수 있기 때문에 한 번의 충전만으로도 더 멀리 가는 전기자동차를 개발할 수 있다”라고 말했다.

물론 니켈 함량을 높인다고 만사형통은 아니다. 용량과 다른 또 다른 문제가 발생할 수 있다고 전문가들은 지적한다.

가령 니켈은 화학적 활성도가 높아서 함량이 높아질수록 폭발 위험도가 커진다. 이러한 문제점을 기술적으로 해결하는 것이 국내 연구진의 숙제다.

한편 세계 최대의 전기자동차 배터리 생산업체인 일본의 파나소닉은 이미 코발트 사용량을 현저히 줄인 배터리 개발에 성공한 것으로 알려졌다.

파나소닉은 더 나아가 코발트를 전혀 사용하지 않은 배터리를 선보일 예정이다.

국내외 배터리 업계가 기술 개발을 통해 고질적인 코발트 대란에 대처할 수 있을지 귀추가 주목된다.

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