超音波浸出が変えるバッテリーリサイクルと都市鉱山

使用済みバッテリーや電子廃棄物には、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトなどの有価物が豊富に含まれており、再生可能エネルギーや電気自動車分野で増大する需要を満たすために不可欠です。都市鉱山 – 廃棄されたバッテリーやその他の電子廃棄物からこれらの金属を回収する取り組み – は、天然鉱床からの採掘の必要性を減らし、廃棄物を最小限に抑えることで、循環型経済の実現につながる有望な道筋です。この分野の重要な技術である超音波処理は、金属回収率の向上、処理時間の短縮、持続可能性の改善に大きな効果を示しています。

バッテリーリサイクルと都市鉱山における超音波処理の力：持続可能な資源回収に変革をもたらす技術

Canciani et al. (2024)による最近の研究では、超音波キャビテーション – 高強度の超音波によって生じる微小な衝撃波 – が、バッテリーリサイクルの浸出工程に及ぼす影響を調べています。この研究は、超音波処理が従来のリサイクルをわずかに改善するだけではなく、リサイクル工程とバッテリー材料との相互作用を根本的に変え、処理をより速く、より効率的にし、強力な化学薬品への依存を減らすことを示しています。
研究結果の詳細を以下でご紹介します！

超音波で促進された酸浸出は、表面付近でキャビテーション気泡が崩壊する際の有益な機械的作用により、従来の酸浸出の十二倍の速度で進行します。この現象は酸溶液の混合を改善し、それによって輸送特性を向上させます。
画像および研究：© Canciani et al., 2024

バッテリーリサイクルにおける超音波処理の仕組み

一般的なバッテリーリサイクルでは、有価金属を含む正極材料を酸性溶液に溶かします。この工程は「浸出」と呼ばれます。この方法により、バッテリーの固体構造から金属を分離・回収できます。しかし、従来の浸出には時間がかかり、多くの場合、相当量の金属を回収するまでに数時間を要します。また、強酸と高温を必要とするため、環境への影響が懸念されます。
超音波処理は、浸出液に超音波を直接加えることで、この工程を変革します。Canciani et al.が2024年に発表した研究では、研究者らはバッテリー材料の代替試料であるリチウムコバルトニッケルマンガン酸化物（NMC）を用いて、この技術を検証しました。特定の周波数と振幅で超音波を印加した結果、超音波キャビテーションによって浸出時間が80%超短縮されることが分かりました。数時間かかっていた工程が数分で完了するようになり、効率に革命的な改善をもたらしました。

浸出促進における超音波処理の役割：物質移動と速度の背後にある科学

超音波処理は浸出を速めるだけでなく、酸性溶液とバッテリー粒子との相互作用の仕方を変えます。高出力超音波は、溶液中で急速に崩壊する数百万個の微小気泡を発生させます。この現象はキャビテーションと呼ばれます。この作用により強い局所的な力が生じ、表面の粒子を破砕するとともに、酸とバッテリー材料内の金属との相互作用を増大させます。
Canciani et al. (2024)によると、この工程はバッテリー材料に主に二つの影響を与えます。粒子の多孔性を高め、粒径を小さくすることで、表面積を大幅に増大させます。表面積が大きくなると、酸が材料とより広範囲に相互作用できるため、浸出が速く進みます。著者らは、超音波処理した試料の細孔容積が従来の方法で処理した試料に比べて一桁増加し、酸が金属成分を溶解するための経路が増えることを観察しました。

従来の浸出（a–c）と超音波浸出（d–f）における、異なる処理時間での粒子のSEM画像。
画像および研究：© Canciani et al., 2024

超音波浸出：輸送特性と微視的混合の改善

この研究は、超音波キャビテーションが表面での接触を増大させるだけでなく、輸送特性も大幅に改善することを示唆しています。これは基本的に、バッテリー粒子全体にわたる酸の分布がより均一になり、キャビテーションによる微視的混合によって均等な接触が確保されることを意味します。その結果、反応環境が均質化され、酸が金属をより効果的かつ均一に溶解できるようになります。
もう一つの注目すべき知見は、超音波キャビテーションの効果が粒径の縮小だけにとどまらないことです。研究者らは、キャビテーションが酸と粒子との相互作用の機構を変えることを見いだしており、これは境界層での輸送の改善によるものと考えられます。簡単に言えば、キャビテーションは各粒子を取り囲む液体層を薄くし、金属の溶解を速めます。

超音波浸出および従来の浸出後の粒径分布
画像および研究：© Canciani et al., 2024

都市鉱山と持続可能性への利点

バッテリーリサイクルにおける超音波処理の有効性は、都市鉱山と持続可能な資源回収の将来に極めて大きな可能性をもたらします。Canciani et al. (2024)の研究結果は、超音波処理が以下の効果によって、環境に悪影響を与える手法に取って代わるか、そうした手法への依存を減らすことを示しています。

• 化学薬品使用量の削減： 超音波で促進された浸出では、従来の浸出で通常必要とされる、より強力な酸の代わりに、酢酸などの、より環境に優しい溶媒を使用できます。
• 必要エネルギーの低減： 超音波処理を用いると、長時間の加熱を必要とせず、室温で浸出が速やかに進行するため、エネルギー消費と排出量を削減できます。
• 材料回収量の増加： 表面での相互作用の改善と多孔性の向上により、有価金属の回収率が最大化され、リサイクル工程が経済的に成立し、環境にも優しいものになります。

バッテリー産業への幅広い影響

電気自動車（EV）と再生可能エネルギー技術の普及に伴い、バッテリーの需要、ひいてはバッテリーに含まれる金属の需要が急増しています。超音波処理で促進されたリサイクルを用いる都市鉱山は、これらの金属を持続可能な方法で回収する手段を提供し、採掘による環境負荷を低減するとともに、バッテリーの製造と廃棄に閉ループ方式をもたらします。
超音波処理に基づくリサイクル方法のスケールアップ、溶媒の組み合わせの最適化、超音波の適用方法の改良によって、効率はさらに向上します。 Hielscher Ultrasonicsは、お客様の浸出工程に最適な超音波処理装置のインライン構成を喜んでご提案します。今すぐお問い合わせください！

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業設備に円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に重点を置いています。当然ながら、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。