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携帯電話、ノートパソコン、そして増加の一途を辿る電気自動車から排出される廃棄リチウムイオン電池は山積みとなっているが、リサイクルの選択肢は依然として焼却か化学溶解に限られている。現在の方法は環境問題を引き起こす可能性があり、工業規模で経済的に生産することは困難である。
従来のプロセスでは、一部のバッテリー材料をリサイクルする際に、苛性アルカリ、無機酸、そして不純物を混入させる可能性のある有害な化学物質が使用されています。また、重要な金属の抽出には複雑な分離と沈殿が必要です。しかし、コバルトやリチウムなどの金属をリサイクルすることで、汚染、海外への依存、そしてサプライチェーンの停滞を軽減することができます。
米国エネルギー省オークリッジ国立研究所の研究者たちは、バッテリーを溶液に溶解することで、そのプロセスで使用される有害化学物質の量を削減する手法を完成させました。この研究は、Energy Storage Materials誌に掲載されました。
ORNL の研究者が開発したシンプルで効果的かつ環境に優しいソリューションは、従来の方法で遭遇した大きな障害を克服します。
使用済み電池は、塗料や化粧品などの消費財に広く使用されている不凍液であるエチレングリコールに溶解した有機クエン酸（柑橘類に天然に含まれる）溶液に浸されます。クエン酸は持続可能な資源から供給されており、無機酸よりも安全に取り扱うことができます。この環境に優しい溶液は、電池の正極（カソード）に含まれる金属を非常に効率的に分離・リサイクルするプロセスを提供します。
「カソードは重要な材料を含んでいるため、バッテリーの中で最も高価な部品であり、全体のコストの30%以上を占めています」と、オークリッジ国立研究所のバッテリー研究グループのメンバーであるヤオカイ・バイ氏は述べています。「私たちのアプローチは、長期的にバッテリーコストを削減する可能性があります。」この研究は、米国最大の屋外バッテリー研究開発施設であるオークリッジ国立研究所のバッテリー製造施設で実施されました。
そこで開発された処理技術により、系内に不純物を導入することなく、コバルトとリチウムをほぼ100%カソードから浸出することが可能です。また、金属溶液を他の残留物から効果的に分離することも可能です。さらに優れた点は、酸濃度を調整するために複雑な手作業が必要となる追加の化学物質を添加することなく、数時間以内に96%以上のコバルトを回収できることです。
「浸出と処理の機能を一つの溶液系でカバーするのは初めてです」と、主任研究者のルー・ユー氏は述べています。「コバルトがそれ以上の撹乱を受けることなく沈殿し、安定するという発見は興味深いものでした。これは予想外でした。」
追加の化学物質の使用をなくすことでコストが削減され、副産物や二次廃棄物の発生も回避できます。「当研究所の科学者が開発したこのリサイクルプロセスが、重要なバッテリー材料のより広範なリサイクルへの道を開くことを大変嬉しく思います」と、オークリッジ国立研究所の企業研究者兼電動化部門長であるイリヤス・ベルハルアク氏は述べています。
バイ氏は、クエン酸とエチレングリコールの浸出特性は以前にも研究されたことがあるが、この方法ではより多くの酸とより低い温度が使用され、効果が低かったと述べた。
「溶液からこんなに早く反応が出てくるとは驚きました」とバイ氏は語った。「有機酸を使うと通常は10～12時間かかりますが、今回はたった1時間で終わりました。」無機酸を使う従来の溶液は、水を含み、その沸点によって反応温度が制限されるため、反応に時間がかかる。
詳細情報：Lu Yu他「効率的な分離と共沈による簡素化されたカソードリサイクル」Energy Storage Materials (2023). DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103025
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