リチウムイオン電池リサイクルのための超音波技術

• 電気自動車に使用されるリチウムイオン電池は、今まさに大量に市場に出回ろうとしており、それに伴い、リサイクル能力を開発する必要がある。
• 超音波浸出は、使用済みリチウムイオン電池からLi、Mg、Co、Niなどの金属を回収するための効率的で環境に優しい技術である。
• Hielscherの浸出アプリケーション用工業用超音波システムは、信頼性が高く堅牢で、既存のリサイクルプラントに簡単に組み込むことができます。

リチウムイオン電池のリサイクル

リチウムイオン電池は、電気自動車（EV）、ノートパソコン、携帯電話などに広く使われている。つまり、使用済みリチウムイオン・バッテリーは、廃棄物処理とリサイクルに関する現在の課題である。バッテリーはEVの主要なコストドライバーであり、その廃棄にも費用がかかる。バッテリーの廃棄物には貴重な材料が含まれており、リチウムイオン・バッテリーの製造にかかる二酸化炭素排出量を削減するのに役立つため、環境面および経済面から、クローズド・リサイクル・ループが推進されている。
リチウムイオン電池のリサイクルは、レアアース（希土類）金属やその他の電池部品を将来的に確保し、採掘にかかる環境コストを削減するために、盛んな産業分野に成長している。

乾式冶金および湿式冶金リサイクル vs 超音波電池リサイクル

以下では、従来の高温冶金および湿式冶金プロセスと、超音波浸出法の利点と欠点を比較する。

従来のバッテリー・リサイクルの欠点

リチウムイオン電池のリサイクルに用いられる従来の方法には、乾式冶金や湿式冶金のプロセスがある。
 
乾式製錬法 電池の製造には、製錬や焼却のような高温プロセスが必要である。電池に極度の熱を加えて有機成分を燃焼させ、残った金属成分を溶かして分離する。しかし、これらの方法にはいくつかの欠点がある：

• 環境への影響： 乾式製錬のプロセスは、有害な排出物や汚染物質を大気中に放出し、大気汚染の一因となり、健康被害を引き起こす可能性がある。
• 資料の紛失： 高温プロセスでは、熱劣化により貴重な材料や金属が失われ、全体的な回収率が低下する可能性がある。
• エネルギー集約型： これらの方法は通常、多大なエネルギー投入を必要とし、運用コストと環境フットプリントを増大させる。

 
湿式冶金法 水冶金法は、化学的な浸出によって電池成分を溶解し、貴重な金属を抽出する方法である。乾式製錬法よりも環境に優しいが、湿式製錬法には欠点もある：

• 化学物質の使用： 浸出には強酸や腐食性の化学薬品が必要で、化学薬品の取り扱いや廃棄物管理、環境汚染の可能性が懸念される。
• 選択性の課題： 目的の金属を選択的に浸出することは難しく、回収率の低下や貴重な資源の損失につながる可能性がある。

 

従来技術に対する超音波バッテリー浸出の利点

乾式冶金と湿式冶金の両リサイクル技術と比較した場合、超音波バッテリーリサイクル技術は、様々な利点のために勝っている：

1. 効率の向上： 超音波ソニケーションは電池材料の分解を促進し、処理時間の短縮と全体的な効率の向上をもたらす。
2. 回復率の向上： 超音波キャビテーションを制御して適用することで、電池部品の分解が促進され、有価金属の回収率が向上する。
3. 環境に優しい： 超音波リサイクルは、高温や過酷な化学薬品への依存を減らし、環境への影響を最小限に抑え、汚染物質の排出を削減する。
4. 選択的浸出： 超音波を制御して適用することで、バッテリー内の特定の成分を狙い撃ちして破壊し、効率的に分離することができる。異なるリサイクル可能なバッテリー化合物は、特定の超音波強度下で除去・溶解されるため、最適化された処理パラメーターにより、個々の材料を選択的に浸出することができる。これにより、貴重な金属や材料の効率的な分離が促進される。
5. エネルギー消費の削減： 湿式冶金法、特に乾式冶金法と比較して、超音波リサイクルは一般的にエネルギー効率が高く、操業コストの削減とカーボンフットプリントの削減につながる。
6. 拡張性と柔軟性： 超音波システムは、様々なバッテリーサイズや生産量に対応できるよう、簡単にスケールアップやスケールダウンが可能です。さらに、バッテリーリサイクル用の超音波装置は、すでにあるバッテリーリサイクル設備に簡単に組み込むことができます。超音波プローブやフローセルリアクターなどの付属品と、様々な出力スケールで容易に入手できる超音波装置は、様々なサイズと生産容量のバッテリーコンポーネントに対応でき、リサイクル工程に拡張性と適応性を提供します。
7. 相乗的な統合： 超音波浸出は、使用済みリチウムイオン電池からの貴重な金属や材料の湿式冶金浸出を強化し、改善するために、既存の湿式冶金電池リサイクルラインに統合することができる。

全体として、超音波によるバッテリーリサイクルは、従来の乾式冶金や湿式冶金のアプローチに比べ、より環境にやさしく、効率的で選択的な方法として期待されている。

 

使用済みバッテリーからの金属回収のための工業用超音波浸出法

超音波浸出と金属抽出は、リチウムコバルト酸化物電池（ノートパソコン、スマートフォンなど）だけでなく、複雑なリチウムニッケル-マンガン-コバルト電池（電気自動車など）のリサイクルプロセスにも適用できる。
ハイパワー超音波は、化学的な液体やスラリーを処理し、物質移動を改善し、化学反応を開始させる能力でよく知られている。
パワー超音波の強力な効果は、音響キャビテーション現象に基づいています。ハイパワー超音波を液体/スラリーにカップリングすることで、液体中の低圧波と高圧波が交互に発生し、小さな真空の気泡を生成します。小さな真空の空洞は、様々な低圧/高圧サイクルを経て、激しく崩壊するまで成長します。崩壊する真空気泡は、最高5000Kの温度、最高1000atmの圧力、10atm以上の加熱・冷却速度を持つマイクロリアクターと考えることができる。^-10 が発生する。さらに、強力な流体力学的せん断力と、最大280m/sの流速を持つ液体ジェットが発生する。このような極限状態の音響キャビテーションは、低温の液体中に並外れた物理的・化学的条件を作り出し、化学反応に有益な環境を作り出す（いわゆる ソノケミストリー).

超音波キャビテーションは、溶質の熱分解を引き起こすだけでなく、フリーラジカル、水酸化物イオン（-OH）、ヒドロニウム（H）などの反応性の高いラジカルや試薬の生成を誘発することができる。₃O+）など、液体中に特別な反応条件を提供し、反応速度を著しく増加させる。粒子などの固体は、液体ジェットによって加速され、粒子間の衝突や摩耗によって粉砕され、活性表面積が増加し、それによって物質移動が促進される。
超音波浸出と金属回収の大きな利点は、振幅、圧力、温度などのプロセスパラメーターを正確に制御できることである。これらのパラメータにより、反応条件をプロセス媒体と目標とする出力に正確に調整することができます。さらに、超音波浸出は、微細構造を維持しながら、基材から最小の金属粒子さえも除去する。金属回収の向上は、超音波による反応性の高い表面の形成、反応速度の向上、物質輸送の改善によるものです。超音波処理プロセスは、各パラメーターに影響を与えることで最適化できるため、非常に効果的であるだけでなく、エネルギー効率も高い。
その正確なパラメータ制御とエネルギー効率は、超音波浸出を有利で優れた技術にしている。 – 特に、複雑な酸浸出やキレート技術に比べれば。

LiCoOの超音波回収₂ 使用済みリチウムイオン電池から

超音波処理は、還元的浸出と化学的沈殿を補助し、LiをLiとして回収するために使用される。₂Co₃ とCoをCo(OH)₂ 廃リチウムイオン電池から
Zhangら(2014)は、LiCoO₂ 600mLの出発溶液を調製するために、10gの無効なLiCoO₂ 粉末をビーカーに入れ、2.0mol/LのLiOH溶液を加えて混合した。
混合物を超音波照射に注ぎ、攪拌装置を開始し、攪拌装置を反応容器の内部に設置した。120◦Cまで加熱した。 超音波装置 は800Wに設定され、超音波の動作モードは5sec.ON / 2sec.OFFとした。超音波照射を6時間行った後、反応混合物を室温まで冷却した。固形残渣を脱イオン水で数回洗浄し、80◦Cで一定重量になるまで乾燥させた。得られたサンプルは、その後の試験と電池製造のために回収した。初回サイクルでの充電容量は134.2mAh/g、放電容量は133.5mAh/gであった。初回充放電効率は99.5％であった。40サイクル後も放電容量は132.9mAh/gである（Zhang et al.）
 

 
クエン酸のような有機酸による超音波浸出は効果的であるだけでなく、環境にも優しい。研究の結果、無機酸であるH2SO4やHClよりもクエン酸の方がCoやLiの浸出効率が高いことがわかった。使用済みリチウムイオン電池から96％以上のCoとほぼ100％のLiが回収された。クエン酸や酢酸のような有機酸は安価で生分解性であるという事実は、超音波処理の経済的・環境的利点をさらに高めることに寄与している。

使用済みバッテリーからの金属浸出のための高出力工業用超音波

Hielscher Ultrasonicsは、廃棄物から金属を浸出するために必要なパワーを提供する、高効率で信頼性の高い超音波システムの、長年の経験を持つサプライヤーです。コバルト、リチウム、ニッケル、マンガンなどの金属を抽出してリチウムイオン電池を再処理するためには、強力で堅牢な超音波システムが不可欠です。UIP4000hdT(4kW)、UIP6000hdT(6kW)、UIP10000(10kW)、UIP16000(16kW)などのHielscher Ultrasonicsの産業用ユニットは、市場で最もパワフルで堅牢な高性能超音波システムです。当社のすべての産業用ユニットは、24時間365日稼動で、最大200μmの超高振幅で連続稼動が可能です。さらに高い振幅を得るために、カスタマイズされた超音波ソノトロー ドを用意しています。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、過酷な環境下でも24時間365日の稼働が可能です。ヒールシャー社は、高温、高圧、腐食性液体用の特別なソノトロードとリアクターも供給しています。このため、弊社の工業用超音波装置は、湿式冶金処理などの抽出冶金技術に最適です。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

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文献／参考文献

• Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Recovery of lithium and cobalt from spent lithium-ion batteries using organic acids: Process optimization and kinetic aspects. Waste Management 64, 2017. 244–254.
• Shin S.-M.; Lee D.-W.; Wang J.-P. (2018): Fabrication of Nickel Nanosized Powder from LiNiO₂ from Spent Lithium-Ion Battery. Metals 8, 2018.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO₂ from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recovery of Lithium Cobalt Oxide Material from the Cathode of Spent Lithium-Ion Batteries. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.