超音波でリチウムイオン電池のリサイクルをさらに効率化

リチウムは、リチウムイオン電池などの高性能電池に含まれる、希少で非常に価値の高い材料です。リチウムはリチウムイオン電池のリサイクルで回収される最も価値の高い材料ですが、コバルト、マンガン、ニッケル、銅、アルミニウムなどの他の鉱物や金属も、回収する価値のある金属です。高強度超音波処理は、使用済み電池から価値のある鉱物や金属を抽出、除去、溶解するための高せん断撹拌および浸出技術として使用されます。この超音波処理法は非常に効果的で、エネルギー効率が高く、本格的な商業用リサイクル施設への導入に容易に利用できます。

概要：リチウムイオン電池のリサイクル工程

使用済みリチウムイオン電池から貴重な金属や材料をリサイクルする工程には、通常、複数の段階があります。以下に一般的な概要を示します。

1. 回収と選別： 使用済みリチウムイオン電池を回収し、種類と化学組成に基づいて選別します。
2. 分解：まず、電池のプラスチック製カバーを破砕して取り除きます。その後、反応性や爆発性のある物質を不活性化するために、カバーを取り外した電池を液体窒素に入れます。この段階により、蓄積されたエネルギーがすべて突然放出されることと、それに伴う発火や爆発を確実に防ぎます。次に、電池を分解して、正極、負極、電解質、外装などの各構成部品を分離します。
3. 細断： 分解した電池をさらに小さく細断し、後続工程のために表面積を増やします。
4. 電極の剥離： 金属抽出処理の前に、分離した電極、すなわち正極と負極をさらに分解する必要があります。正極材料は一般に、通常はポリフッ化ビニリデン（PVDF）またはポリテトラフルオロエチレン（PTFE）であるバインダーによってアルミニウム箔に接着されているため、正極とアルミニウム箔を互いに引き離すことは困難です。
5. 化学処理： 細断した電池の構成部品にさまざまな化学処理を施し、異なる材料を溶解して分離します。これには、リチウム、コバルト、ニッケル、銅などの価値のある金属を抽出するために、酸やその他の溶媒を用いて浸出する処理が含まれる場合があります。
6. 回収と精製： 続いて、沈殿、溶媒抽出、電気化学的方法などの工程によって、溶解した金属を溶液から回収します。これらの段階は、貴重な金属の精製と濃縮に役立ちます。

超音波処理で貴重な金属の回収を改善

強力超音波は反応を促進することで、電極の剥離と貴重な金属や材料の浸出の各段階を改善し、回収工程の効率を大幅に高めることができます。超音波処理は、高強度の超音波を利用して、液体媒体中に機械的振動と音響キャビテーションを発生させる技術です。超音波処理の強力な力は、使用済みリチウムイオン電池から貴重な金属をリサイクルする工程を、以下のさまざまな方法で改善するために利用されます。
 

1. 崩壊： 超音波処理は細断された電池材料を崩壊させ、より小さな粒子を形成します。粒子が小さくなると表面積が増え、化学的浸出がより効果的になり、価値のある金属の遊離を助けます。
2. 浸出の改善： 浸出工程で超音波処理を適用すると、固体材料と浸出液の接触を改善し、金属抽出の効率を高めることができます。超音波浸出は金属抽出を促進し、コバルト、マンガン、ニッケル、銅、アルミニウムなどの金属や鉱物の回収収率を高めます。
3. 電極剥離の改善： 電池リサイクルにおける電極剥離の目的は、電極、電解質、セパレーターなどの異なる構成部品を分離し、それぞれを個別にさらに処理またはリサイクルできるようにすることです。超音波処理は、電極からのコーティングの剥離と除去を助けます。超音波による機械的な力は、電極の各層を効率的に分離することを促進します。
4. 反応の加速： 超音波処理は、より速く、より徹底した混合を促進し、金属の回収および精製段階における化学反応を加速することができます。
5. エネルギー消費の削減： 超音波処理は工程効率を高め、使用済み電池からの金属回収に必要な時間とエネルギーを削減することができます。

 
超音波処理は、リサイクル工程に含まれるさまざまな段階の有効性と効率を高めることで、使用済みリチウムイオン電池から貴重な金属や材料をリサイクルする工程の改善に有益な役割を果たすことができます。
超音波による金属浸出と電極剥離の各工程は、個々のリサイクル工程に適合させることができます。リチウムイオン電池のリサイクルを専門とする企業が最高の効率を目指して工程を開発、改良するにつれ、これらの工程は変化する可能性があります。

正極分離のための超音波キャビテーション

超音波処理は、音響キャビテーションの作用によって正極材料をアルミニウム箔から分離します。音響キャビテーションまたは超音波キャビテーションは、局所的に発生する高圧と高温、その後の低下によって生じる圧力差と温度差、ならびに強い微小乱流と高せん断マイクロジェットによって特徴づけられます。これらのキャビテーションの力は表面境界に作用し、物質移動を促進して侵食を引き起こします。超音波キャビテーションは、化学的、物理的、熱的、機械的な性質のこうした強力な力を発生させることで、リチウムイオン電池の正極を集電体／アルミニウム箔に固定するために使用される有機バインダーの構造を破壊するのに必要な撹拌と物質移動を生み出します。
撹拌などの機械的な作用だけでは正極材料をアルミニウム箔から効果的に剥離するには不十分ですが、高強度超音波処理は、正極材料を集電体から完全に除去するために必要な超音波化学的および超音波機械的エネルギーを供給します。機械的撹拌とは異なり、超音波キャビテーションは強い乱流、局所的な高温と高圧、さらに撹拌、流動、液体ジェットを生み出します。これらは、正極をAl箔につなぐPVDFやPTFEなどのバインダーを破壊し、正極とAl箔の両方の表面を侵食します。これにより、両材料間のバインダーが十分に破壊され、正極とアルミニウム箔が効果的に分離されます。
例えば、溶媒としてN-methyl-2-pyrrolidone（NMP）を使用し、70°Cで超音波分離を行うと、99%という高い正極除去効率が得られます（超音波出力240 W、超音波処理時間90 min）。超音波による正極分離は材料を均一に分散させ、大きな凝集体の形成を防ぐため、その後の金属浸出工程が容易になります。
活物質と集電体箔を回収するための超音波による電極剥離について、詳しくはこちらをご覧ください！

鉱物の超音波浸出

上述の超音波キャビテーションの作用は、使用済み電池からの金属浸出も促進します。高強度超音波処理は、電池リサイクルにおける鉱物回収だけでなく、湿式製錬や価値の高い鉱石の浸出（例えば鉱山尾鉱）にも頻繁に使用されます。局所的な高温、高圧、せん断力が金属浸出を促進し、浸出効率を大幅に高めます。キャビテーションのホットスポットでは、局所的に最大1000 Kという極めて高い温度が生じる一方、浸出工程全体で必要な温度は約50–60°Cという穏やかな温度にとどまります。このため、超音波による金属回収はエネルギー効率が高く、経済的です。
使用済みリチウムイオン電池からの鉱物の超音波浸出は、高い回収率と効率を特徴とします。例えば、正極から超音波によって鉱物を回収する際に、過酸化水素（H2O2）の存在下で硫酸（H2SO4）が浸出剤として有効に使用されました。硫酸を用いた超音波浸出では、コバルトで94.63%、リチウムで98.62%の回収率がそれぞれ得られました。
有機酸であるクエン酸（C6H8O7·H2O）を用いた超音波浸出では、銅とリチウムの回収率が非常に高く、使用済みリチウムイオン電池から銅の96%、リチウムのほぼ100%を回収できます。

簡単で安全：実現可能性試験から産業規模のリサイクルへの超音波技術のスケールアップ

リチウムイオン電池のリサイクル用の高性能超音波装置は、卓上規模、パイロット規模、産業規模での設置向けに容易に入手できます。超音波による正極分離と使用済み電池からの鉱物の超音波浸出はすでに確立された工程であるため、初期試験から、個別の工程要件に合わせた最適化、本格的な産業用超音波分離および／または浸出システムの設置までを、迅速かつ簡単に進めることができます。
持続可能な電池リサイクルと都市鉱山の資源回収における超音波浸出の利点について、詳しくはこちらをご覧ください！

電池リサイクル用の高性能超音波処理装置

Hielscher Ultrasonicsは、あらゆるサイズと処理能力の高性能超音波処理装置を供給しています。Hielscherが製造するUIP16000（16kW）は、世界で最も強力な超音波処理装置です。UIP16000をはじめ、他のすべての産業用超音波システムも、必要な処理能力に合わせて容易にクラスター化できます。Hielscherのすべての超音波処理装置は、全負荷かつ過酷な環境での24/7運転に対応するように製造されています。
Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波処理装置は、非常に高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅に対応するために、特注の超音波ソノトロードも用意されています。

あらゆる処理量に対応する超音波プローブと超音波リアクター

Hielscher Ultrasonicsの製品ラインアップは、コンパクトな実験室用超音波処理装置から卓上システム、パイロットシステム、さらに毎時トラック積載量規模を処理できる本格的な産業用超音波処理装置まで、超音波処理装置の全範囲を網羅しています。この充実した製品ラインアップにより、お客様の用途、工程の処理能力、生産目標に最も適した超音波装置をご提案できます。

最適な結果を得るための精密に制御可能な振幅

Hielscherのすべての超音波処理装置は精密に制御できるため、研究開発と生産で信頼できる実用的な装置として活躍します。振幅は、超音波化学的および超音波機械的に誘起される反応の効率と有効性に影響する重要な工程パラメーターのひとつです。Hielscher Ultrasonicsのすべての処理装置では、振幅を精密に設定できます。ソノトロードとブースターホーンは、さらに広い範囲で振幅を変更できるアクセサリーです。Hielscherの産業用超音波処理装置は非常に高い振幅を実現でき、要求の厳しい用途に必要な超音波強度を供給します。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。
精密な振幅設定と、スマートソフトウェアによる超音波工程パラメーターの常時監視により、最も効果的な超音波条件下で正極をアルミニウム箔から分離し、使用済みリチウムイオン電池から鉱物や金属を浸出させることができます。最高の効率でリチウムイオン電池をリサイクルするための最適な超音波処理です！
Hielscherの超音波処理装置の堅牢性により、高負荷かつ過酷な環境での24/7運転が可能です。このため、Hielscherの超音波処理装置は、お客様のリサイクル工程の要件を満たす信頼できる作業装置となります。

最高品質 – ドイツで設計・製造

家族所有・家族経営の企業として、Hielscherは超音波処理装置において最高の品質基準を重視しています。すべての超音波処理装置は、ドイツのベルリン近郊のテルトーにある本社で設計、製造され、徹底した試験を受けています。Hielscherの超音波装置は、その堅牢性と信頼性によって、お客様の生産現場で実用的な装置として活躍します。全負荷かつ過酷な環境での24/7運転は、Hielscherの高性能超音波プローブとリアクターが当然備える特性です。

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。

知っておきたい基礎知識

リチウムイオン電池とは？

リチウムイオン電池は、Li-ion電池とも呼ばれる充電式電池の一種です。鉛系やニッケル系の電池と比べ、リチウムイオン電池は正極、負極、そして導体としての電解質を使用します。
すべての電池と同様に、リチウムイオン電池は化学エネルギーを蓄え、それを電気エネルギーに変換して、電力供給のための静的な電荷を提供します。
リチウムイオン電池は、ノートパソコンやスマートフォンなどの携帯電子機器や電気自動車に一般的に使用されています。リチウムイオン電池の利用は、軍や航空宇宙企業からもますます関心を集めています。