リチウムイオン電池のリサイクル

リチウムイオン(Li-ion)電池のリサイクルでは、使用済み電池を回収して分別し、放電して安全性を確保した後に分解して成分を分離します。分離した電池は、粉砕して細断し、得られた材料をふるいにかけて選別し、貴重な元素を分離します。 

細断とふるいのプロセスから生じる微細な粉末状の物質は、「ブラックマス」と呼ばれています。塊には、リチウム、コバルト、ニッケル、マンガンなどの貴重な金属が含まれています。このブラックマスは、湿式治金法(浸出、溶媒抽出、沈殿を含む)または乾式治金法(製錬と精製を含む)を経てさらに処理され、これらの金属を回収します。 

より効率的なリサイクル技術として、乾式冶金と湿式冶金を組み合わせたハイブリッドアプローチがあります。回収された金属は、新しい電池の電極材を作る際に再利用されます。

しかしリチウム電池(LIB)がすべて同じでないことが一因となり、ブラックマスのリサイクルが困難なことがあります。具体的には、NMC(ニッケル、マンガン、コバルト)とLMFP(リン酸マンガン鉄リチウム)の2種類の主要な化学物質があります。NMCには、NCM111、NMC622、NMC811などの亜種があり、数字は各要素の相対的な原子の割合を示します。同様に、LMFPにも可変量のマンガンが含まれることがあります。可変化学では、リサイクルプロセスに入る前に、ブラックマスを適切に特性評価し、等級づけすることを必要としています。

可変化学が意味するのは、リチウムイオン電池のリサイクルにおいて、受け入れ電池の種類の管理に限界がある場合が多いということです。このため、電池をリサイクルする際の処理プロセスには、受け入れ電池の化学組成と結晶相の評価を加える必要があります。当社のX線と中性子ベースソリューションは、化学組成と結晶相を分析することで、このプロセスに対応します。 

さらに、組み込まれた不純物の分析を含む当社のオンラインとラボベースのXRFソリューションを使用することで、湿式冶金浸出プロセスの効率を評価できます。また、当社の粒子径分布測定装置を使用して、ブラックマスから最終製品までのリサイクルプロセス全体で、粒子の径を測定できます。

抽出されたブラックマスの元素組成は、当社のCNAクロスベルト分析装置を使用してオンラインで分析することも、XRFシステム用の当社製品を使用してオフラインで分析することもできます。 

オンラインクロスベルト元素分析：リサイクル電池の化学組成が可変的であるということは、抽出されたブラックマスが異種材料であることを意味し、ラボでの少量のサンプルの分析が大部分の材料を代表する結果にはなりません。クロスベルトオンライン分析装置は、産業規模で抽出されたブラックマスの大部分の分析が可能となり、材料全体の平均的な組成を分析できます。当社のCNA Pentosクロスベルト分析装置は、パルス高速熱中性子活性化(PFTNA)の切り替え可能な中性子技術に基づいており、受け入れブラックマス内のNi、Co、Mn、Fe、Pといったすべての主要元素の直接バルク測定を実現します。 

CNAは、ベルト上のバルク材料の高周波オンライン元素分析を行います。材料はコンベアベルト上でリアルタイムで測定されるため、サンプリングは必要ありません。コンパクトで頑丈な設計は、完全にベルトの下に配置され、抽出されたブラックマスに共通するさまざまなベルト荷重と粒子サイズが、システムの性能に影響しません。この設計上の特長によって、効率的なプロセス制御のための安定性と代表性が向上します。

蛍光 X 線 (XRF) は、研究室またはプロセスの近くで黒色塊を分析するために使用できるもう 1 つの技術です。蛍光 X 線 (XRF) は、使用済みバッテリーの元素組成を迅速かつ正確に高精度で分析できるため、バッテリーのリサイクル プロセスを大幅にサポートします。その高精度により、リサイクル業者はリチウム、コバルト、ニッケル、マンガンなどの貴重な材料を識別して定量化し、回収プロセスを最適化できます。また、回収された材料の品質を監視し、再利用の仕様を満たしていることを確認することもできます。さらに、XRF は危険な元素を検出し、安全な取り扱いと廃棄を容易にします。

主要元素については、XRF はサンプルの希釈や酸分解を必要としないため、ICP よりも元素組成を測定する簡単かつ正確な方法を提供します。

多くの大手電池会社は、リサイクル材料の分析に当社のベンチトップ Epsilon 4 EDXRF または Zetium WDXRF 分光計を使用しています。また、黒色塊中の元素と不純物を高精度で分析できる高性能 EDXRF の Revontium シリーズも導入しました。

XRF分析の精度は、キャリブレーション用標準サンプルの質に左右されます。Malvern Panalyticalは、独自の認定校正標準試料を開発しました。Eagon 2またはFORJサンプル融合システムと組み合わせることで、正確な定量元素分析に最適なレシピを提供できます。 

図1(右): 当社のEpsilon 4 XRF分光計で測定した、NCM基準粒子を使用した標準的なNiキャリブレーションライン。 

熱水抽出における浸出溶液の元素組成分析では、金属抽出の効率に関する貴重な情報を得ることができます。これは、当社XflowシリーズのXRF分析装置に合わせて分析できます。 

Epsilon Xflowでのオンライン液体分析により、プロセスのパラメータをすばやく正確に管理することができます。 

Epsilon Xflowを使用すると、リアルタイムで知見を得ながら生産プロセスをより効率的に管理し、運用コストを削減できます。

電池をリサイクル際の前処理プロセスは、電池の材料の結晶相の影響を受けることもあります。また、結晶相分析の場合、X線回析は最適な方法です。当社のAeris小型X線回折装置は、操作が簡単で高品質なデータを提供できるため、ブラックマスと電池材料内の結晶相の正確な組成分析に使用できます。 

図2: 当社のAeris回折装置で測定したブラックマス結晶相の一般的なXRD分析。

粒子の径と形状は、ブラックマスから最終製品にいたるリサイクル電池のバリューチェーン全体で重要な役割を果たしています。熱水抽出中に金属を効率よく浸出するには、ブラックマスを特定の粒子の径に粉砕する必要があります。 

多くのリサイクル会社は、最終製品として電池の前駆体または電極材を製造しており、粒子の径と形状は品質を判断するパラメータとして重要視されています。