リチウムイオン電池のリサイクルが求められる理由

電気自動車（EV）産業は飛躍的な成長を遂げようとしており、その動力源となるリチウムイオン電池からも廃棄物が発生している。2017年に世界で販売された電気自動車だけでも、使用済みのリチウムイオン電池から出る廃棄物は約25万トン、つまり50万立方メートルにもなる。平均的な電池の寿命は8年しか保証されていないため、2017年の電池の一部は2025年までに交換して廃棄する必要があるかもしれない。

EVの需要増加に対応するために製造されるバッテリーが増える中、循環型で持続可能な産業を創出し、廃棄物を管理するためには、これらのバッテリーに含まれる重要な材料を回収することが不可欠になる。しかし、現在のところ、持続可能なほど効率的で収益性の高いリサイクル方法は存在しない。

なぜリサイクルが必要か

リチウムイオン電池のリサイクルを駆動する最大の問題の一つは、廃棄物管理の一つだ。しかし、それは今日製造されている電池のすべてが埋立地に向かっていると言うことは正しくない。リチウムイオン電池は、その寿命の終わりに来るとき、それはまだその電荷の約80％を保持している。そして、それは電気自動車を提供するのに十分ではないが、それは他のさまざまなアプリケーションのために十分だ。これらの二次電池は、少なくとも10年間は使用できる。

世界最大の通信塔事業者であるチャイナタワー（中国鉄塔）は、200万基の塔屋基地局のほぼすべてでバックアップ電源として使用されている鉛蓄電池を、二次電池であるリチウムイオン電池に置き換えることを計画しており、この電池パックの需要は大きい。これは54GWh、つまり約200万個の電池を蓄えることになる。このように、リユースは付加価値を高める役割を果たし、リサイクル業界が電池を大規模にリサイクルするために必要なインフラを整備するための時間を提供することができる。

しかし、IDTechExの報告書によると、リチウムイオン電池の総量は2040年までに年間780万トンに達すると予想されており、使用済み電池の世界的な供給量が二次利用用途の需要を上回ることが予想されている。もちろん、電池はいずれ永久に死滅するものであり、廃棄物を管理し、重要な材料の埋蔵量を増やすためには、長期的に先見の明のあるリサイクルのアプローチが重要だ。

リサイクルの難しさ

現在行われているリサイクルの多くは、乾式冶金と湿式冶金を組み合わせて行われている。このプロセスでは、バッテリー内の最も価値のある金属の一部が回収されるが、その他の貴重な材料の多くは失われてしまう。基本的には、バッテリーを製錬所に投入すると、底部から合金の混合物が出てくるが、これは一般的にはニッケル、コバルト、銅だ。リチウムとアルミニウムは酸化されてスラグに行くが、回収するには経済的ではない。リチウムとアルミニウムが埋立地に送られた後には、金属合金が残っている。コバルトは最も価値のある製品だ。

しかし、自動車メーカーは、バッテリーの化学物質に含まれるコバルトの含有量を減らしていく傾向にあり、浸出プロセスから得られる価値のある製品は減少し続けている。

より効率的なプロセスの開発には、多くの問題が複雑に絡んでいます。根本的な問題は、これらの電池は、単にリサイクルされるように設計されていないということです、彼らはよりリサイクル可能な電池の設計を犠牲にして高性能と長寿命のために設計されている。リチウムイオン電池パックは、正極、負極、セパレータと電解質を含む各セルで、モジュールにグループ化されたセルの数千で構成されている。正極は、活性遷移金属酸化物の粉末にカーボンブラックを混合したものをアルミ箔集電体にポリフッ化ビニリデン（PVDF）などの化合物で接着したものが一般的である。陽極にはPVDFを用いた銅箔に黒鉛を接着したものが使用され、電解液は通常LiPF6塩の溶液だ。

このように部品の数が多いだけでなく、それらが一緒に置かれている方法は、それらを分離することを困難にしている。それでも、バッテリーパックは、分解できるように設計されていない。組み立ての際に非常に強い接着剤が使われていて、モジュールからセルを取り出すためには、それを取り除く方法を見つけなければならない。あるいは、いくつかのセルが溶接されていて、そこから溶接部を取り外さなければならないこともある。このように、セルは分解用に設計されているわけではない。

そのため、バッテリーをリサイクルする最も安価で一般的な方法は、破砕することだ。しかし、標準的な電気自動車用バッテリーは存在しない。一般的な化学物質には、ニッケルコバルトアルミニウム、マンガン酸化リチウム、ニッケルマグネシウムコバルトなどがあり、車種ごとにバッテリーパックの構造が異なる。

リサイクルする場合、何を手に入れるかをコントロールすることはできない。電池を破砕する際には、これらの異なる化合物を分離する必要がある。それには密度分離や、異なる金属酸化物の磁気特性の違いを利用する方法がある。

パックの組み立て方法はまた、破砕後、最も価値のある成分の一つであるカソード「ブラックマス」、または金属酸化物が他の物質で汚染されて出てくることを意味している。これに対抗するために、研究者たちは、シュレッダーの必要性を回避したり、浄化をより簡単にしたりするために、パック、モジュール、セルを、寿命が尽きたときに分解しやすく設計する方法を検討している。それは、溶接部をナットやボルトに置き換えたり、作業しやすい新しい接着剤を開発したりするのと同じくらい簡単なことだ。

現在のリサイクル方法

リサイクルのための設計が不足しているにもかかわらず、研究者は回収率を最大化する方法を模索している。水溶液を使用して破砕後の陰極材料から貴重な金属を浸出させるという、純粋な湿式冶金プロセスがより効率的であろう。これは通常、硫酸と過酸化水素の組み合わせを使用して行われ、過酸化物は還元剤として働き、不溶性のヘキサアンミンコバルト(III)塩化物材料を可溶性の酸化コバルト(II)に変換する。浸出後、溶液のpHを変化させて沈殿させることで、コバルトとリチウムを塩として回収することができる。

これにより、高純度の出発原料が得られ、新しい電池を製造することができる。しかし、湿式冶金プロセスは、純粋な乾式冶金プロセスよりも多くの貴重な材料を回収するが、実際の正極材料から得られる価値は失われてしまう。つまり、リチウムコバルト酸化物のような大量のコバルトを含む正極には有用であるが、水素冶金プロセスはこれらの正極の価値の最大70％を回収できるが、コバルトの含有量が少ない正極には有用性が低く、価値の大部分は原材料ではなく、製造された正極酸化物自体にある。

原材料の価値が低い場合には、貴重なカソードそのものを回収することが可能だ。アルゴンヌ国立研究所を拠点とし、6つの国立研究所と大学の約50人の研究者で構成されるプログラム、ReCellは、ダイレクトリサイクルとして知られているプロセスを通じて、これを探求している。直接リサイクルは、リチウムイオン電池正極の結晶構造が破壊されるのを防ぐことを基本としている。その利点は、原材料を正極に変換する際の価値を維持できるということだ。直接リサイクルにはもう一つの利点があり、アルミニウムや銅箔、電解液からの塩類、負極からの黒鉛など、他の貴重な成分も回収できるということだ。

ダイレクトリサイクルでは、電池は再び細断され、正極と負極の粉末が混ざった黒い塊が回収される。これらの粉末は、活性粉末の表面を傷つけずに慎重に精製されなければならない。例えば、溶剤を使って接着剤を除去したり、熱で脱重合するなどだ。

直接リサイクルは原理的には最も価値の高い製品を回収するが、リサイクラーはそもそもなぜバッテリーがリサイクルを必要とするのかを考慮する必要がある。多くの場合、正極活物質は劣化しており、再び使用するためには、新しいリチウムで再活性化する必要がある。分光法を使えば、不足しているリチウムの量を大まかに見積もることができ、正極と水酸化リチウムを混合して220℃に加熱することで新しいリチウムを添加することができる。

そして、急速に変化する市場は、メーカーが常により優れた機能を持つ新しい化学物質にシフトしていることを意味する。このようにして回収された正極を再利用するためには、それらをアップグレードする必要がある場合がある。例えば、古いニッケル・マグネシウム・コバルト電池には、新しいものに比べてニッケルの割合がかなり低くなっていた。市場が実際に買いたいと思うものを回収するには、回収物のニッケル含有量を増やす必要がある。ReCellのチームは、これが新しい分野であることを探っている。何かが拡散する速度は電荷に関係している。電荷が高いものほど拡散が遅くなるという。この場合、3+カチオンを固体中に前後に移動させて均一にしようとしているが、これはかなり難しいという。

しかし、誰もが電池を破砕しているわけではない。英国のファラデー研究所のReLiBプロジェクトは、極東の一部の企業が行おうとしていることを見習って、パックを取り出し、負極、正極、セパレータに分割して、より純度の高い材料の流れを最終的に実現しようとしている。ReLiBは、手動分解を行う技術者のために感電のリスクを除去するこの方法で分解するための自動化されたシステムを開発している。金属箔を活性材料の表面から分離するため、ReLiBのチームは超音波を使ったラミネーション剥離法を考案した。これは、酸を使うよりも100倍速く、数時間ではなく数秒で金属集電体から陰極を分離することができる。

ReCellとReLiB以外にもリサイクルに取り組むチームがある。リサイクルのインフラが大規模なリサイクルのために集まってくると、これらの方法のうちのどれかが、もしあるとすれば、どの方法が好ましいルートになるかはまだ明らかになっていない。廃棄物の価値を理解し、その価値とプロセスのコストを比較する必要がある。このような場合には、最も収益性が高く、異なるバッテリーに最も適した方法に応じて、これらの異なる方法が併用されることになるかもしれない。

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