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Upstream Risks in Domestic Battery Raw Material Supply Chain and Countermeasures in the Mineral Resource Exploration Sector in Korea
국내 배터리원료광종 공급망 업스트림 리스크와 광물자원탐사부문에서의 대응방안
Econ. Environ. Geol. 2022 Aug;55(4):399-406
Published online August 30, 2022;  https://doi.org/10.9719/EEG.2022.55.4.399
Copyright © 2022 The Korean Society of Economic and Environmental Geology.

Il-Hwan Oh1, Chul-Ho Heo1,*, Seong-Yong Kim2
오일환1 · 허철호1,* · 김성용2

1Critical Minerals Research Center, Korea Institute Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Korea
2Future Geo-Strategy Research Center, Korea Institute Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 34132, Korea
1한국지질자원연구원 희소금속광상연구센터
2한국지질자원연구원 미래전략연구센터
Received August 20, 2022; Revised August 24, 2022; Accepted August 24, 2022.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
 Abstract
In line with the megatrend of 2050 carbon neutrality, the amount of critical minerals used in clean-energy technology is expected to increase fourfold and sixfold, respectively, according to the Paris Agreement-based scenario as well as the 2050 carbon-neutrality scenario. And, in the case of Korea, in terms of the battery supply chain used for secondary batteries, the midstream that manufactures battery materials and battery cell packs shows strength, but the upstream that provides and processes raw materials is experiencing difficulties. The Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources has established a strategy to secure lithium, nickel, and cobalt and is conducting surveys to respond to the upstream risk of these types of battery raw materials. In the case of lithium, exploration has been carried out in Uljin, Gyeongsangbuk-do since 2020, and by the end of 2021, the survey area was selected for precision exploration by synthesizing all exploration data and building a 3D model. Potential resources will be assessed in 2022. In the case of nickel, the prospective site will be selected by the end of 2022 through a preliminary survey targeting 10 nickel sulfide deposits that have been prospected in the past. In the case of cobalt, Boguk cobalt is known only in South Korea, but there is only a record that cobalt was produced as a minor constituent of hydrothermal deposit. According to the literature, a cobalt ore body was found in the contact area between serpentinite and granite, and a protocol for cobalt exploration in Korea will be established.
Keywords : battery raw material, supply chain risk, mineral resources exploration
Research Highlights
  • Korea has been experiencing difficulties in upstream supply chain for secondary batteries, which the upstream provides and processes raw materials.

  • In case of lithium, KIGAM conducted exploration in Uljin, Gyeonsangbuk-do and the survey area was suggested by precision exploration through synthesizing all exploration data and building 3D geological models since 2020.

  • The prospective sites for nickel and cobalt will be narrowed down by the end of 2022 on th basis of a preliminary survey targeting nickel sulfide abandoned deposits and the contact area between serpentinite and granite.

1. 서 언

2050년 탄소중립이라는 전세계적인 메가트렌드에 맞추어 운송과 전력생산에 있어서 전기차 및 풍력, 태양광등 청정에너지생산에 필요한 핵심광물(critical minerals)의 수요가 기존의 내연기관 및 탄화수소기반의 전력생산보다 각각 6배와 9배 이상 필요하다는 연구결과가 나왔다(IEA, 2021). 또한, 전세계는 온실가스를 연간 약 510억 이산화탄소환산톤(CO2eq)을 배출하며, 이중 16%인 약 82억톤이 운송에서 배출되는 온실가스로 추정된다(Bill Gates, 2021). 우리나라는 환경부 온실가스통계에 의하면, 연간 약 7억톤의 온실가스를 배출하고 있으며 운송분야의 배출량은 보고되어있지 않다(https://www.index.go.kr/unify/idx-info.do?idxCd=4288).

글로벌 전기차 시장은 전기차 침투율이 2021년 8%(20년 4%)에 달하며 가파르게 성장하고 있고, 이에 따른 배터리 수요 및 판매량도 연일 최고치를 경신 중이다. 그리고, 한국의 배터리 기업들은 기술경쟁력과 공격적인 투자로 배터리 공급망의 중류단계(midstream)를 선도하고 있다(Fig. 1). 다만, 한국배터리기업들의 높은 글로벌 시장점유율(20년 26%)에도 불구하고 유일하게 부족한 점이 원자재의 미확보이다(Fig. 2, Jeon, 2021).

Figure 1. Indicative supply chains of selected clean energy tecnologies modified from IEA (2021). Largest producers and consumers are noted in each case to provide an indication, rather than a complete account. Note: China=People’s Republic of China, DRC=Democratic Republic of Congo, Eu=European Union, Russia=Russian Federation, US=United States.
Figure 2. Analysis of the competitiveness of the battery industry by country modified from Jeon (2021).

이러한 탄소중립과 전기차 수요증가 등 글로벌 경쟁력 확보를 위해 주요 경쟁국들이 활발하게 배터리 수요 핵심광물 확보에 노력하고 있다. 미국은 대통령령 EO13817(Executive Office of the President, USA, 2017)에 의해, 미국 경제 및 국가 안전보장에 필수인 광물의 수입 의존 저감, 안정적인 공급 확보를 목표로 설정하였으며, 핵심 광물로 미국 경제와 안보에 필수적인 비연료 광물, 안정적인 공급에 대한 리스크가 상당한 수준의 광물과 제품 제조에 필수적이며 부족시 경제 또는 안전보장에 미치는 영향이 막대한 광물로 35종을 정하였다. EC(2008)에서도 원료광물확보전략인 Raw Material Initiative(RMI)를 근간으로 핵심광물확보 중요성을 인지하고 있고, 2011년도에 14종의 핵심광물을 지정하였으며(EC, 2011) 2014년도에 20종의 핵심광물을 지정하였고(EC, 2014) 2017년도에 27종의 핵심광물을 지정하였고(EC, 2017) 지난 2020년에 30종의 핵심광물로 확대 지정하였다(EC, 2022).

한국지질자원연구원은 배터리원료광종에 사용되는 희소금속을 포함한 핵심광물의 안정적 공급을 위하여 탐사를 진행하고 있다. 2021년 발간된 국제에너지기구(IEA)의 ‘청정에너지섹터에서 핵심광물의 역할(The role of critical minerals in clean energy sector)’라는 보고서에서 언급했듯이 ‘폐광의 재조명(revisiting the abandoned mine)’이라는 관점에서 국내 리튬, 니켈, 코발트, 망간 폐광 30여 개와 해당광종의 산출이 보고된 155개 광구(약 3km2/광구)를 대상으로 탐사를 진행하고 있다(Fig. 3). 과거에 비해 지화학 및 물리탐사, 선광제련기술이 고도화되면서 품위-매장량모델에 비추어 볼 때 한계품위(cut-off grade)가 높아졌으며, 당시에는 채굴할수 없었던 저품위광석도 매장량만 확보되면 대외의존도를 줄이면서 공급망 안정화에 기여할수 있을 것으로 사료된다.

Figure 3. Distribution map of the abandoned deposits and registered minining claims for Li, Ni, Co and Mn.

이 해설에서는 광물자원탐사 분야에서 국내 배터리원료광종의 공급망 업스트림 리스크를 해소하기 위한 한국지질자원연구원의 배터리원료광종(특히, 리튬, 니켈, 코발트를 중심으로) 탐사 및 확보방안을 제시하고자 한다.

2. 국내 배터리원료광종 광상 부존 및 탐사현황

2.1. 리튬

한국지질자원연구원은 경북 울진에서 2020년부터 리튬 페그마타이트 탐사를 집중적으로 진행하고 있다. 이 지역은 1945년부터 1963년까지 채광이 이루어졌으며, 총 180톤의 광석을 채굴한 것으로 보고되어 있다(Kim, 1980). 이때, 리튬광석의 품위는 1.7~1.9% Li2O였다. 2010년부터는 보암이라는 광산명으로 소규모의 채굴이 이루어졌으며 현재는 재개발 준비 중이다.

희유금속 페그마타이트는 이론적으로 생산성화강암으로부터 10km 이내에 10~20km2 면적으로 분포한다는 페그마타이트 생성연구결과(Breaks and Tindle, 1997)를 바탕으로, 탐사지역을 보암 리튬페그마타이트 광상을 중심으로 반경 10km(즉, 314km2)로 설정하고 항공자력탐사, 중력탐사, 전기비저항탐사, 하천퇴적물조사, 토양지구화학탐사, 생산성화강암조사, 지질연대측정, 페그마타이트 연장성 조사를 통해 2021년말 탐사대상지역을 약 19km2로 좁혔다. 이러한 탐사결과는 3D모델로 구축하여 지속적인 탐사자료 보강을 통한 자원량예측 정밀도를 향상시키고 있다(Fig. 4). 2022년 KIGAM은 리튬 페그마타이트 부존지역(약 19km2) 을 정밀구획하고 체계적인 시료분석을 통해 부존량을 산정할 예정이다.

Figure 4. Schematic diagram illustrating the procedure of exploration into 3D model in Uljin lithium mineralized zone.

2.2. 니켈

국내 니켈광상은 강원도 고성(수동, 동양), 경기도 포천(가포), 가평(가평), 경북 김천-성주(삼광, 금성), 충남 홍성-연기(환선, 청람), 충북 음성(금왕), 전북 남원-장수(죽산, 산내)에 분포하는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2007).

그리고, 국내에서 보고된 니켈 광상과 연계된 암석 유형은 노라이트(죽산), 각섬암(삼광, 가평, 환선), 감람암(가포), 초염기성 암맥(수동, 동양), 화강편마암(금성)으로 보고되었으나, 국내에서 기존에 보고된 니켈 광상과 연계된 초염기 성암/염기성암의 산출 양상 및 규모가 소규모로 명확히 기재되어 있지 않기 때문에 지표지질 조사에서 초염기성암/염기성암의 산상 및 암석지화학적 특성을 규명할 필요가 있다. 초염기성암은 한국에서 경기육괴와 영남육괴의 극히 제한적인 지역에서 산출되는 것으로 알려져있다(Kim et al., 2021). 수동, 동양, 청람과 같이 니켈황화물 광석에서 석영과 함께 산출되는 펜틀란다이트는 열수 광상의 가능성을 시사하고 있으며, 이차적으로 이동한 소규모의 맥상 광상으로 사료되지만 후속연구가 필요할 것으로 생각된다.

특히, 트라이아스기 마천반려암(223±3Ma)과 성인적으로 관련이 있는 것으로 사료되는 산내 니켈광상의 경우, 반려암질암 내 펜틀란다이트가 산출되며, 광석품위는 평균 0.62%로 보고되어있다(Kim and Park, 1958; Park, 1960; Song et al., 2007). 품위-매장량 모델관점에서, 산내 니켈 광상의 품위는 매장량이 확보되면 개발잠재성이 있는 것으로 사료된다. 상기 니켈광상들을 대상으로 예비조사를 통해 2022년말 니켈정밀탐사대상지를 선정할 예정이다.

2.3. 코발트

국내에서 코발트 광물이 언급된 광상유형은 열수 기원광상으로 맥상 보국(경산) 광산, 스카른형 울산 Fe-W 광산에서 코발타이트, Ni-Co-Fe-As계 광물, 함코발트 유비철석이 언급되었다(Choi, Imai, 1985; Park, 1990; Yun and Youm, 1997; Heo et al., 2006). 그리고, 상기 광상에서 코발트를 공급할 수 있는 근원암의 존재는 울산 광산에서 사문암화된 초염기성암의 존재가 언급된 바 있다(Choi and Youm, 2000). 반면, 보국(경산)광산에서는 초염기성암체 또는 염기성암의 존재는 기재된 바 없다. 전세계 유일한 코발트 단독광종 광산인 모로코 Bou Azzer지역의 맥상광상에서 제시된 바와 같이 사문암과 섬록암 접촉대를 따라 열수가 공급된 지역을 중심으로 함 코발트 맥상광상이 배태되고 있다(Hajjar et al., 2021). 우리나라에서도 이와 유사한 지질환경과 조건을 고려할 필요가 있는데, 울산철광산과 관련된 가대리화강암과 접촉하고 있는 사문암체가 대상지로 고려될수 있다(Choi and Wee, 1994).

또한, 코발트 부존 가능 지역에 대한 탐사는 사문암을 포함한 초염기성암의 존재 유무와 함께 열수작용이 중첩된 지역에 대한 증거를 중첩하여 고려할 필요가 있으며, 충남 홍성 지역에 산재된 활석 광화작용을 받은 사문암체는 코발트 근원암으로 가능성을 적용할 수 있다고 사료된다(personal communication with Prof. Choi, S.G.).

3. 광물자원탐사영역에서 국내 배터리원료광종 확보전략

3.1. 리튬

염호리튬과 달리 경암 리튬의 경우, 희유금속으로서 탐사프로토콜이 정립되는 단계이며, 경북 울진의 LCT(리튬-세슘-탄탈륨)유형 리튬페그마타이트를 대상으로한 다각적인 지질, 지화학 및 물리탐사결과를 3차원 자원량예측 플랫폼을 토대로 정밀자원량 예측 알고리즘을 도출하고 지속적 탐사자료 보강을 통해 예측정밀도를 향상시킬 것이다. 특히, 경북 울진 리튬광화대에서 시도한 리튬페그마타이트의 모암인 생산성화강암을 추적하는 지구화학적 벡터링기술은 남한의 희유금속 페그마타이트, 통일시대 북한 및 해외광물자원탐사에 적용가능할 것으로 사료된다.

또한, 한국지질자원연구원의 전국지화학도(1:70만) 기반 리튬고함량지역(백분율 상위 95% 이상 지역)을 대상으로 지화학도 관련 지질속성자료, 광상정보 및 해당지역 물리탐사 데이터를 AI기술을 활용하여 유기적으로 해석함으로써 효율적인 자원부존예측을 시도하고자 한다(Fig. 5).

Figure 5. Regions with high lithium content based on the national geochemical map (1:700,000). For example, Taebaek-Bonghwa area (ca. 297km2), Danyang-Jecheon area (ca. 104km2).

3.2. 니켈

예비지질광상조사를 통해 니켈 부존잠재성을 검토 중인 전북 남원군 산내면 산내(달궁) 니켈광상의 경우, 정마그마형 니켈광상으로 향후 정밀탐사를 통해 하부 망상 또는 괴상 조직의 니켈 잠두 광체의 부존 가능성 검토가 필요하다(Kim and Park, 1958; Park, 1960; Song et al., 2007).

강원도 고성군 일대에 부존하는 수동-동양 광상의 경우, 광상부존위치가 비무장지대(DMZ)와 매우 가까워 현장조사의 어려움이 예상되나 기존 탐사자료(Park and Kim, 1968), 간성도폭(1:5만, Cho et al., 1998), 위성자료 분석를 통하여 탐사가능성을 타진할 예정이다.

또한, 한국지질자원연구원의 전국지화학도(1:70만) 기반 니켈고함량지역(백분율 상위 95% 이상 지역)을 대상으로 지화학도 관련 지질속성자료, 광상정보 및 해당지역 물리탐사 데이터를 AI기술을 활용하여 유기적으로 해석함으로써 효율적인 자원부존예측을 시도하고자 한다(Fig. 6).

Figure 6. Regions with high nickel content based on the national geochemical map (1:700,000). For example, Yangpyeong area (136 km2), Hwacheon-Chuncheon area (385 km2), Yangyang area (321 km2).

3.3. 코발트

충남 홍성지역에 분포하는 거산, 녹천, 대광, 대흥, 덕유, 60455호, 예산, 온양, 유구, 청담, 평안 활석광상과 열수광상이 중첩되는 지역을 대상으로 예비 지질광상조사를 수행할 예정이며, 니켈과 동광상의 부산물로 산출되는 유형이 아닌 코발트 단독광종의 유일한 예인 모로코 Bou Azzer 광산의 경우처럼 화강암과 사문암체가 접촉하는 지질환경을 가진 대상지에 대한 성인적 연구도 병행할 예정이다. 예를 들어 울산 가대리화강암의 경우 사문암체와 접촉하고 있어 일반적인 화강암보다 코발트 함량이 높은편인데 관련 연구가 필요할 것으로 보인다.

또한, 한국지질자원연구원의 전국지화학도(1:70만) 기반 코발트 고함량지역(백분율 상위 95% 이상 지역)을 대상으로 지화학도 관련 지질속성자료, 광상정보 및 해당지역 물리탐사 데이터를 AI기술을 활용하여 유기적으로 해석함으로써 효율적인 자원부존예측을 시도하고자 한다(Fig. 7).

Figure 7. Regions with high cobalt content based on the national geochemical map (1:700,000). For example, Muju area (361 km2).
4. 결 론

광물자원탐사 분야에서 국내 배터리원료광종의 공급망 업스트림 리스크를 해소하기 위해 한국지질자원연구원은 리튬, 니켈, 코발트와 같은 배터리원료광종 탐사를 수행하고 있다. 경암 리튬의 경우, 희유금속으로서 탐사프로토콜이 정립되는 단계로서, 경북 울진의 리튬페그마타이트를 대상으로한 탐사결과를 인공지능 기반 자원량예측 플랫폼을 토대로 정밀자원량 예측 알고리즘을 도출하여 예측정밀도를 향상시킬 것이다. 니켈의 경우, 잠재성을 검토 중인 산내 니켈광상의 경우, 전형적인 정마그마형 니켈광상으로 정밀탐사를 통해 하부 망상 또는 괴상 조직의 니켈 잠두 광체 부존 가능성을 검토할 필요가 있으며, 수동-동양의 경우, 광상부존위치가 비무장지대와 가까워 현장조사의 어려움이 예상되나 기존 탐사자료 분석를 통하여 탐사가능성을 타진할 예정이다. 코발트의 경우, 초염기성암의 존재 유무와 함께 열수작용이 중첩된 지역에 대한 증거를 중첩하여 고려할 필요가 있으며, 이는 사문암의 활석화작용이 열수작용의 근거로 적용될 수 있다. 충남 홍성지역에 분포하는 활석광상과 열수광상이 중첩되는 지역을 대상으로 예비탐사를 수행할 예정이며, 화강암과 사문암체가 접촉하는 지질환경(예. 모로코 Bou Azzer 광산)에 대한 탐사도 병행할 예정이다.

또한, 새로운 도전으로서 전국지화학도(1:70만) 기반 리튬, 니켈, 코발트고함량지역(백분율 상위 95% 이상 지역)을 대상으로 지화학도 지질속성자료, 광상지질조사 및 해당지역 물리탐사 데이터를 AI기술을 활용하여 유기적으로 해석함으로써 합리적인 자원량예측 결과를 도출하고자 한다.

사 사

이 연구는 한국지질자원연구원 연구사업인 “국내 바나듐(V) 등 에너지 저장광물 정밀탐사기술 개발 및 부존량 예측(22-3211-1), 지질자원 표본·기초학술연구와 선도형 R&D 정책/성과확산 연구(22-3120-1)”과제 지원을 받아 수행되었으며 이에 사의를 표한다. 바쁘신 와중에도 이 기술정보의 미비점을 지적, 수정하여 주신 책임편집위원님과 심사위원님들께 깊이 감사를 드린다. 또한, 국내 니켈 및 코발트 광상의 탐사 및 잠재성 자문을 해주신 고려대학교 최선규 명예교수님께 감사를 드립니다.

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