リチウム電池のリサイクル

リチウム電池にはコバルトやニッケルといった貴重な元素が含まれており、メーカーはこれをリサイクルして再び使用したいと考えている。

すでにバッテリーのリサイクルに取り組んでいる企業もある。彼らは通常、使用済みバッテリーを細断して黒い塊にしてから、溶かしたり溶かしたりして金属を取り出す。

機械的破砕

リチウム電池が現代技術においてますますユビキタスな存在となるにつれ、そのリサイクルも増加している。リチウム電池の構成部品は非常に貴重であり、限られたものであることを考えると、これは特に重要である。リチウム電池セルをリサイクルすることで、廃棄物を減らし、新しい電池を製造するためのエネルギーを節約することができます。さらに、リサイクルすることで、貴重な原材料を再利用することができ、新しい原材料の需要を減らすことができます。

バッテリーのリサイクル方法のひとつに、機械的破砕がある。この工程は鉱業に似ており、原料を細かく砕いてさらに加工する。この工程は手作業で行われるか、専用の機械で行われる。一度破砕されたバッテリーリサイクルの破片は、化学的分離、機械的分離、製錬工程を経て、再び使えるようになります。

破砕はリチウムイオン電池のリサイクルに不可欠なステップであり、湿式または乾式破砕方法のいずれかを取ることができる。一方、乾式破砕では、使用済みリチウム電池の選択的破砕特性が前面に出て、正極活物質を集電アルミ箔から解放し、その後の回収工程を容易にします。

選別は電池リサイクルのもう一つの重要な要素である。選別することで、電池内のプラスチック部品の一部を除去し、金属部品を分離することができる。選別は、電池から個々の部品を分離するのに役立つ磁石を使用して達成されることが多い。

バッテリーリサイクルの最終段階として、機械的分離が行われる。これには、空気ふるい、破砕、ふるい分けが含まれる。この方法には、ニッケルやコバルトといった最も高価な成分を回収しながら高温を避けることができるなど、多くの利点がある。

湿式冶金処理

ほとんどのリチウム電池リサイクル施設では、使用済みセルはまず化学的・物理的特性に基づいて分離された後、正極材や黒鉛負極の黒い塊からイオン状の金属を回収するための湿式冶金処理工場に送られる。金属は強酸や酸化剤を用いて酸化物、硫酸塩、水酸化物に分離され、後に新しい電池に再利用されるためにメーカーに売却される。

バッテリーのリサイクル業者の中には、"高温冶金 "として知られるプロセスを採用しているところもある。これは、使用済みバッテリーを炉で1,500℃、3～4時間加熱し、ほとんどの炭素系物質を燃焼させ、銅、ニッケル、アルミニウム、マンガン、コバルトからなる混合金属合金とスラグを生成するものである。残念なことに、この方法では多大なエネルギーを消費する一方で、バッテリー内に含まれる貴重な金属のごく一部しか回収できない。

湿式冶金は、高温の代わりに水を使用し、金属イオンを酸に溶かしてサイズを小さくし、溶液から抽出するバッテリーリサイクルの革新的な新しいアプローチです。湿式冶金は、乾式冶金や機械的な破砕方法と比較してエネルギー消費量が少なく、事実上あらゆるセル設計や化学組成に適しています。

ノースボルト社とレッドウッド・マテリアルズ社は、ネバダ州とヨーロッパに大規模なバッテリー・リサイクル工場を建設するために、公的投資家と民間投資家から数十億ドルを調達した。

バイオリーチングは、微生物の代謝産物を利用して廃バッテリー材料を溶解するもので、コスト削減と回収率向上の両方を実現するもう一つの有望なアプローチである。カリフォルニア大学の研究者たちは、アシディチオバチルス・フェロオキシダンスの従属栄養細菌を使って、リチウム電池から使用済みのLiCoO2正極材料を浸出させた。彼らのテストによると、硫酸と鉄イオンが生成され、回収目的で廃棄物から抽出することができた。

化学反応

浸出水とは、雨水が廃棄物を通してろ過され、土壌を酸性化し、植物に毒を与え、地下水を汚染するプロセスである。バッテリーのリサイクルを成功させるには、リサイクル業者はバッテリーがリサイクル工程に入る前に完全に放電されていることを確認しなければならない。浸出水の影響に対抗するために、リサイクル業者はバッテリーがリサイクルされる前に完全に放電されていることを確認しなければなりません。そうでなければ、化学物質や金属がセルから漏れ出し、生態系と地下水源の両方を汚染する可能性があります。そうでなければ、化学物質や金属がセルから漏れ出し、生態系や地下水源を汚染する可能性があります。浸出液の発生を防ぐために、リサイクル業者はリサイクル工程に入る前にバッテリーが完全に放電されていることを確認し、環境への悪影響を最小限に抑え、リサイクル工程中に環境上の危険が生じないようにしなければなりません、そうでない場合、電池に含まれる化学物質が水路に漏出し、浸出液の影響を受けて環境に流出する可能性があります。浸出液が地下水源に漏出し、地下水を汚染する一方で、植物に中毒を引き起こす可能性があります、そうでない場合、電池内部の有毒金属が電池から環境中に漏れ出し、電池から環境中に漏れ出した金属が地下水源あるいはそれ以上に悪化する可能性がある！この問題に対処するために、リサイクル工程に入る前に電池を完全に放電させ、地下水源への漏出を最小限に抑えなければならない；そのため、リサイクルされた電池は、別のリサイクル工程でリサイクルされる前に、地下水源を酸性化させるために、地下水源に輸送される過程で地下水源に漏出し、地下水源を酸性化させる必要があります。リサイクル工程に入る前に、電池が完全に放電されていることを確認しなければならない。そうでなければ、化学物質や金属がリサイクル工程に入る前に漏出するために環境に漏出するため、他の方法で漏出が発生します。

電池リサイクルの主な方法である湿式冶金は、正極金属（ニッケル、マンガン、コバルト）と水酸化リチウムまたは炭酸リチウムを混合した粉末状の黒色塊を生成するために、材料を解体、破砕、高熱で溶融または溶解する。

リサイクル業者は、バッテリーのリサイクルにはコストとエネルギーがかかることを認識しているため、環境への影響を低減するために、プロセスをより費用対効果の高いものにする革新的な技術を開発してきた。正極金属を回収するために高温ではなく化学反応を使用する、より洗練されたアプローチを開発したところもある。これによってリサイクル業者は、材料を溶かしたり液体に溶かしたりすることに関連するコストを避けながら、様々なバッテリー化学物質を利用することができる。

この技術では、ニッケル、マンガン、コバルトの硫酸塩を、湿式冶金法を用いて水酸化物に変換する。これらのリサイクル材料は、ノースボルトの新しい電池の製造に使用されるか、他の電池メーカーにリサイクル目的で売却される。

NorthvoltのRevolt Ett施設は、ほとんどのバッテリー化学物質を扱うことができるが、特にニッケルとコバルトを含むものに重点を置いている。Northvoltは、ポリマーハウジングやアノードなど、より多くのバッテリーコンポーネントを効率的にリサイクルできるよう、他の方法にも取り組んでいる。

研究者たちは、電池に適切な電圧を供給する繊細な結晶である正極の再生においても進歩を遂げている。Joule』誌に掲載された研究によると、リサイクルされた正極を使用したバッテリーは、新たに採掘された正極を使用したバッテリーと同等の性能を発揮した。

ダイレクト・リサイクル

ダイレクトリサイクルとは、電池の化学構造を分解することなく、電池の構成部品を直接回収、再生、再利用する方法である。リチウムイオン電池（LIB）リサイクルの新たなアプローチとして、ダイレクトリサイクルはリサイクル効率を大幅に向上させると同時に、経済的・環境的フットプリントを最小限に抑えることができる。直接リサイクルは、費用対効果、エネルギー効率、持続可能性、再生材料の品質を向上させながら全体的なリサイクル経路を短縮する材料構造の保存を考慮すると、乾式冶金や湿式冶金と比較してその価値が証明されている。

しかし、この戦略は、分解、選別、分離のプロセスから、技術的な限界や社会的な懸念に至るまで、実用化を妨げる多くの障壁に直面している。

例えば、カイバーツ・スイス社が開発した革新的な剥離技術で使用済みバッテリーを切断し、電極を新しいセルに再生するプロセスは、従来のシュレッダーや分離方法よりも効率的である。

このプロセスは、正極材料や負極材料だけでなく、様々なLIBセル化学物質用にカスタマイズされている。この技術により、電池の生産効率が上がると同時に、通常コストがかかり、資源を大量に消費し、環境を破壊する採掘や加工活動が減少するはずである。

また、これらの技術が循環型経済にどのような影響を与えうるかについても考慮すべきである。電池メーカーは、リサイクルの努力を優先し、標準化の努力を促進し、情報を共有するためのプロトコルを導入しなければならない。そうすることで、世界の電池製造業界に主要原材料を供給する効率的なサプライチェーンを構築しながら、廃棄物を削減することができる。このような取り組みでアルゴンヌと協力することに関心のある企業は、アルゴンヌ国立研究所の材料リサイクル・反応グループ研究グループリーダー、ジェフ・スパンゲンバーガーまでご連絡ください。アルゴンヌ国立研究所は、ほぼすべての科学分野における基礎および応用研究を通じて、科学技術における差し迫った国家的問題に対する解決策を提供している。エネルギー省科学局の委託を受け、UChicago Argonne LLCが運営。