JP2013146701A - 電極材のリサイクル装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 基材に活物質を接着してなる電極材をリサイクルするに際し、リサイクル装置と工程を簡易化し、リサイクル作業の時間と費用の低減を図ること。
【解決手段】 基材に活物質を接着してなる電極材のリサイクル装置１０において、電極材を破砕機２０の容器２１内に投入し、該容器２１内の底部の中心に設けた回転軸２７に取付けられて旋回する可撓線状体３０により電極材を破砕し、電極材の基材から活物質を剥離するとともに、それらの基材と活物質を個別に粉粒化するもの。
【選択図】 図３
【解決手段】 基材に活物質を接着してなる電極材のリサイクル装置１０において、電極材を破砕機２０の容器２１内に投入し、該容器２１内の底部の中心に設けた回転軸２７に取付けられて旋回する可撓線状体３０により電極材を破砕し、電極材の基材から活物質を剥離するとともに、それらの基材と活物質を個別に粉粒化するもの。
【選択図】 図３
Description
本発明はリチウムイオン電池等の電極材のリサイクル装置及び方法に関する。
リチウムイオン電池は、携帯電話、携帯型コンピュータ、電気自動車等の電源として用いられている。リチウムイオン電池の電極材は、基材たる金属箔集電体の両側に、導電体とバインダーとを混練した活物質を接着した構造となっている。そして、正極の電極材と負極の電極材がセパレータを介して重ねられ、巻き上げられ、電極を構成する。
リチウムイオン電池の電極材において、活物質を構成している例えばリチウムＬｉやコバルトＣｏ、更にはニッケルＮｉやマンガンＭｎは、高価な希少材料である。従って、リチウムイオン電池の製造過程で発生する電極材の端材や、使用済電池の電極からそれらの希少材料を回収してリサイクルすることが望まれる。
従来の電極材のリサイクル方法では、特許文献１に記載の如く、ハンマー式破砕機や切断式破砕機で破砕した電極材の破砕物を篩分装置で分級する。そして、分級した破砕物を300〜500℃で１時間程度加熱処理してＡｌ箔やＣｕ箔の金属箔集電体やバインダーを活物質から分離し、更に篩分けすることにより、金属箔集電体の粒状体と活物質の粉状体とに分離する。
特許文献１に記載の如くの従来の電極材のリサイクル方法では、破砕機による破砕処理工程だけでは電極材をその基材たる金属箔集電体と活物質とに分離できず、破砕機による破砕物を篩分装置で分級したものを300〜500℃で１時間程度加熱処理してＡｌ箔やＣｕ箔の金属箔集電体やバインダーを分離する作業が必要になる。このことは、リサイクル装置と工程の複雑を招き、リサイクル作業の時間と費用の過大を招く。
本発明の課題は、基材に活物質を接着してなる電極材をリサイクルするに際し、リサイクル装置と工程を簡易化し、リサイクル作業の時間と費用の低減を図ることにある。
請求項１に係る発明は、基材に活物質を接着してなる電極材のリサイクル装置において、電極材を破砕機の容器内に投入し、該容器内の底部の中心に設けた回転軸に取付けられて旋回する可撓線状体により電極材を破砕し、電極材の基材から活物質を剥離するとともに、それらの基材と活物質を個別に粉粒化するようにしたものである。
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において更に、前記破砕機の容器内で、可撓線状体の旋回運動領域の直上部に、電極材の舞い上がりを抑える舞い上がり防止天井を設けてなるようにしたものである。
請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において更に、前記舞い上がり防止天井が破砕機の容器の内壁に突設した張り出し状をなすようにしたものである。
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに係る発明において更に、前記破砕機に後続する篩分装置を有し、破砕機により破砕された破砕物を分級し、基材と活物質を分離するようにしたものである。
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれかに係る発明において更に、前記電極材がリチウムイオン電池の電極材であり、基材が金属箔集電体であるようにしたものである。
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の電極材のリサイクル装置を用いた電極材のリサイクル方法である。
（請求項１）
(a)破砕機の容器内で旋回する可撓線状体が電極材に衝突し、或いは可撓線状体と衝突して容器内を動き回る電極材が他の電極材とも衝突することを繰り返す過程で、電極材の基材から活物質を剥離し、更にそれらの基材と活物質を個別に粉粒化できる。
(a)破砕機の容器内で旋回する可撓線状体が電極材に衝突し、或いは可撓線状体と衝突して容器内を動き回る電極材が他の電極材とも衝突することを繰り返す過程で、電極材の基材から活物質を剥離し、更にそれらの基材と活物質を個別に粉粒化できる。
即ち、破砕機による破砕処理工程だけで、直ちに、電極材をその基材と活物質とに分離でき、しかもそれらの基材と活物質を個別に粉粒化できる。
（請求項２）
(b)破砕機による破砕処理工程で、容器内を暴れ回る如くに旋回する可撓線状体により破砕され小さく軽くなった破砕片は可撓線状体との衝突力によって容器内上空に舞い上がり、未破砕又は破砕不十分の重いものは重力により容器内底部に集まって可撓線状体により破砕される。
(b)破砕機による破砕処理工程で、容器内を暴れ回る如くに旋回する可撓線状体により破砕され小さく軽くなった破砕片は可撓線状体との衝突力によって容器内上空に舞い上がり、未破砕又は破砕不十分の重いものは重力により容器内底部に集まって可撓線状体により破砕される。
このとき、破砕機の容器内で、可撓線状体の旋回運動領域の直上部に、電極材の舞い上がりを抑える舞い上がり防止天井が設けられている。これにより、容器内上空に舞い上がる破砕片は舞い上がり防止天井の存在により、舞い上がり防止天井より上空への舞い上がりを抑えられ、可撓線状体の旋回運動領域に押しとどめられる。即ち、可撓線状体により破砕され小さくなった破砕片は、舞い上がり防止天井によって可撓線状体の旋回運動領域に押しとどめられ、可撓線状体との衝突、他の破砕片との衝突の繰り返しの機会を高められ、より短時間に細片化される。即ち、電極材の基材と活物質をより短時間に個別に粉粒化でき、破砕機による電極材の破砕処理効率を向上できる。
（請求項３）
(c)舞い上がり防止天井が破砕機の容器の内壁に突設した張り出し状をなすとき、容器内の舞い上がり防止天井より上部に電極材の投入スペースを確保できる。従って、破砕機により破砕処理されるために容器に投入される電極材の１回の投入容量を、電極材が舞い上がり防止天井より上部スペースに達するまで多量にでき、電極材の１回の破砕処理量を多量化できる。舞い上がり防止天井より下部に投入された電極材が破砕されて細片化されるに従い、上部スペースの電極材が舞い上がり防止天井の下方に落下して破砕処理されるものになる。
(c)舞い上がり防止天井が破砕機の容器の内壁に突設した張り出し状をなすとき、容器内の舞い上がり防止天井より上部に電極材の投入スペースを確保できる。従って、破砕機により破砕処理されるために容器に投入される電極材の１回の投入容量を、電極材が舞い上がり防止天井より上部スペースに達するまで多量にでき、電極材の１回の破砕処理量を多量化できる。舞い上がり防止天井より下部に投入された電極材が破砕されて細片化されるに従い、上部スペースの電極材が舞い上がり防止天井の下方に落下して破砕処理されるものになる。
（請求項４）
(d)破砕機に後続する篩分装置を有し、破砕機により破砕された破砕物を分級し、基材と活物質を分離する。電極材が上述(a)、(b)により基材と活物質に個別に粉粒化され、基材と活物質の特性の相違によりそれらの粒度が互いに異なるものになるとき、それらを篩分装置により分級し、基材と活物質とを分離できる。
(d)破砕機に後続する篩分装置を有し、破砕機により破砕された破砕物を分級し、基材と活物質を分離する。電極材が上述(a)、(b)により基材と活物質に個別に粉粒化され、基材と活物質の特性の相違によりそれらの粒度が互いに異なるものになるとき、それらを篩分装置により分級し、基材と活物質とを分離できる。
（請求項５）
(e)電極材がリチウムイオン電池の電極材であるとき、上述(a)、(b)の破砕処理により、金属箔集電体である基材は粒度の粗い粒状体になり、活物質は粒度の小さい粉状体になる。
(e)電極材がリチウムイオン電池の電極材であるとき、上述(a)、(b)の破砕処理により、金属箔集電体である基材は粒度の粗い粒状体になり、活物質は粒度の小さい粉状体になる。
（請求項６）
(f)上述(a)〜(e)により、基材に活物質を接着してなる電極材をリサイクルするに際し、リサイクル装置と工程を簡易化し、リサイクル作業の時間と費用の低減を図ることができる。
(f)上述(a)〜(e)により、基材に活物質を接着してなる電極材をリサイクルするに際し、リサイクル装置と工程を簡易化し、リサイクル作業の時間と費用の低減を図ることができる。
図１、図２に示したリサイクル装置１０は、リチウムイオン電池の電極材をリサイクルするものである。リチウムイオン電池の電極材は、前述した如く、基材たる金属箔集電体の両側に、導電体とバインダーとを混練した活物質を接着した構造となっている。そして、正極の電極材と負極の電極材がセパレータを介して重ねられ、巻き上げられ、電極を構成する。
このとき、正極の電極材としては、例えばＡｌ箔集電体の両側に、コバルト酸リチウムＬｉＣｏＯ２、ニッケル酸リチウムＬｉＮｉＯ２、マンガン酸リチウムＬｉＭｎ２Ｏ４等にバインダーを混練した正極活物質を塗布した正極シートが用いられる。また、負極の電極材としては、例えばＣｕ箔集電体の両側に、カーボンＣ等にバインダーを混練した負極活物質を塗布した負極シートが用いられる。
ここで、リチウムイオン電池の電極を示せば図８の如くになる。図８において、１は正極電極材、２は負極電極材であり、１Ａは正極集電体、１Ｂは正極活物質、２Ａは負極集電体、２Ｂは負極活物質、３はセパレータである。
従って、リサイクル装置１０によるリサイクル対象材は、リチウムイオン電池の製造過程で発生する電極材（正極シート又は負極シート）の短冊状等の端材や、使用済電池の電極である。
リサイクル装置１０は、架台１１の上に設置される破砕機２０と、破砕機２０に後続する篩分装置４０を有する。以下、破砕機２０と篩分装置４０の詳細構造について説明する。
（破砕機２０）（図３〜図６）
破砕機２０は、図３、図４に示す如く、前述のリサイクル対象材（電極材の端材や使用済電池の電極）等の形態でリサイクル工場に持ち込まれた電極材が投入される容器２１を架台１１の上に設置して備える。容器２１は、内壁２１Ａを備える円筒状をなし、内部スペースを破砕室２２とする。
破砕機２０は、図３、図４に示す如く、前述のリサイクル対象材（電極材の端材や使用済電池の電極）等の形態でリサイクル工場に持ち込まれた電極材が投入される容器２１を架台１１の上に設置して備える。容器２１は、内壁２１Ａを備える円筒状をなし、内部スペースを破砕室２２とする。
破砕機２０は、容器２１に電極材を投入するためのホッパ２３を容器２１の上部に備える。ホッパ２３は、上部開閉装置２４により開閉される上部ゲート２４Ａと、中間部開閉装置２５により開閉される中間部ゲート２５Ａとを有する。ホッパ２３は、上部ゲート２４Ａと中間部ゲート２５Ａの間に電極材を一時的に貯留する予備室２６を形成し、中間部ゲート２５Ａの下部を破砕室２２に連通させている。破砕機２０は、一定時間毎に一定量の電極材をまとめて容器２１の破砕室２２に投入し、バッチ処理する。
破砕機２０は、容器２１の破砕室２２の底部の中心に回転軸２７を枢支している。破砕機２０は、架台１１の上に容器２１と並置した電動モータ２８の出力軸と回転軸２７とを例えばベルト２９でつなぎ、回転軸２７を駆動可能にしている。
破砕機２０は、図５、図６に示す如く、回転軸２７の外周の取付軸３１に取付けられて旋回する可撓線状体３０を有する。本実施例では、回転軸２７の直径上の２位置に２個の可撓線状体３０を取付ける。尚、可撓線状体３０としては、例えばチェーン、ワイヤ等を採用できる。可撓線状体３０の先端が破砕室２２の底部に沿って旋回する回転外径は、容器２１の内壁２１Ａとの間に一定の隙間（図５）を介する。
破砕機２０は、容器２１の破砕室２２内で旋回する可撓線状体３０が容器２１の破砕室２２の底部に沿って旋回移動し、或いは破砕室２２に投入された電極材に衝突して破砕室２２内で暴れ回り、可撓線状体３０の先端が取付軸３１まわりに描く旋回運動領域Ｒ（図５）の範囲内を旋回移動する。可撓線状体３０がこの旋回運動領域Ｒを旋回移動し、可撓線状体３０が電極材に衝突し、或いは可撓線状体３０と衝突して容器２１内を動き回る電極材が他の電極材とも衝突することを繰り返す過程で、電極材の破砕処理を進行し、電極材の基材から活物質を剥離し、更にそれらの基材と活物質を個別に粉粒化する。
ここで、電極材を構成する基材たる金属箔集電体と活物質の物性の相違により、Ａｌ箔、Ｃｕ箔等の金属箔集電体は粒度の粗い粒状体になり、コバルト酸リチウムＬｉＣｏＯ２、カーボン等の活物質は粒度の小さい粉状体になる。
しかるに、破砕機２０にあっては、容器２１内で、可撓線状体３０の旋回運動領域Ｒの直上部に、破砕物（電極材）の舞い上がりを抑える舞い上がり防止天井３２を設ける。
本実施例の舞い上がり防止天井３２は、図５に示す如く、破砕機２０の容器２１の内壁２１Ａにおける高さ方向の中間部（破砕室２２の天井面２２Ａより低い部位）から半径方向の中心側に突設した張り出し状（庇状）をなす。舞い上がり防止天井３２は、図６に示す如く、容器２１の内壁２１Ａの内周に沿う円環状板３２Ａからなり、ステー３２Ｂにより内壁２１Ａに支持される。舞い上がり防止天井３２は、可撓線状体３０の旋回運動領域Ｒと小隙間を介する直上部に配置されるものであり、図５の実線で示す位置の他、図５の鎖線で示す位置に配置されるものでも良い。
前述の破砕機２０による破砕処理工程で、容器２１内を暴れ回る如くに旋回する可撓線状体３０により破砕され小さく軽くなった破砕片は、可撓線状体３０との衝突力によって容器２１内の上空に舞い上がり、未破砕又は破砕不十分の重いものは重力により容器２１内の底部に集まって可撓線状体３０により破砕される。このとき、容器２１内の上空に舞い上がる破砕片は舞い上がり防止天井３２の存在により、舞い上がり防止天井３２により上空への舞い上がりを抑えられ、可撓線状体３０の旋回運動領域Ｒに押しとどめられ、破砕機２０により電極材の破砕処理効率を後述する如くに向上する。
更に、破砕機２０にあっては、容器２１の側部に設けた排出装置３３により駆動され、容器２１の側部の排出口２１Ｂを開閉する排出ゲート３３Ａを有する。排出装置３３は、破砕室２２内で破砕処理を終了した破砕物（基材（金属箔集電体）の粒状体と活物質の粉状体）を外部へ排出可能にする。排出装置３３は、可撓線状体３０の旋回中に排出ゲート３３Ａを開くことにより、可撓線状体３０に連れ回る破砕物が容器２１の排出口２１Ｂに到達したとき、該破砕物を自らの回転遠心力により外部へ排出する。
（篩分装置４０）（図１、図２）
篩分装置４０は、破砕機２０に後続配置され、破砕機２０により破砕されて排出された電極材の破砕片（基材（金属箔集電体）の粒状体と活物質の粉状体）を分級し、基材と活物質とを分離する。
篩分装置４０は、破砕機２０に後続配置され、破砕機２０により破砕されて排出された電極材の破砕片（基材（金属箔集電体）の粒状体と活物質の粉状体）を分級し、基材と活物質とを分離する。
篩分装置４０は、図１、図２に示す如く、直列に配列された複数段、本実施例では第１〜第４の４段をなす振動篩４１〜４４を有して構成される。篩４１は、破砕機２０の排出口２１Ｂから排出される破砕片を選別する。篩４２は、篩４１により選別された破砕片をスクリューコンベヤ４５により投入されて選別する。篩４３は、篩４２により選別された破砕片をシュート４６により投入されて選別する。篩４４は、篩４３により選別された破砕片をシュート４７により投入されて選別する。本実施例では、篩４１〜４３により選別された破砕片を粒度の粗い基材（金属箔集電体）の粒状体として分離し、篩４４により選別された破砕片を粒度の小さいコバルト酸リチウムＬｉＣｏＯ２、カーボンＣ等の活物質として分離する。
尚、破砕機２０により破砕処理され、篩分装置４０により分級された電極材のコバルト酸リチウムＬｉＣｏＯ２、ニッケル酸リチウムＬｉＮｉＯ２、マンガン酸リチウムＬｉＭｎ２Ｏ４等を構成しているリチウムＬｉやコバルトＣｏ、更にはニッケルＮｉやマンガンＭｎは、篩分装置４０の下工程で化学反応処理等されて回収され得る。
本実施例によれば以下の作用効果を奏する。
(a)破砕機２０の容器２１内で旋回する可撓線状体３０が電極材に衝突し、或いは可撓線状体３０と衝突して容器２１内を動き回る電極材が他の電極材とも衝突することを繰り返す過程で、電極材の基材から活物質を剥離し、更にそれらの基材と活物質を個別に粉粒化できる。
(a)破砕機２０の容器２１内で旋回する可撓線状体３０が電極材に衝突し、或いは可撓線状体３０と衝突して容器２１内を動き回る電極材が他の電極材とも衝突することを繰り返す過程で、電極材の基材から活物質を剥離し、更にそれらの基材と活物質を個別に粉粒化できる。
即ち、破砕機２０による破砕処理工程だけで、直ちに、電極材をその基材と活物質とに分離でき、しかもそれらの基材と活物質を個別に粉粒化できる。
(b)破砕機２０の容器２１内で、可撓線状体３０の旋回運動領域Ｒの直上部に、電極材の舞い上がりを抑える舞い上がり防止天井３２が設けられている。これにより、容器２１内上空に舞い上がる破砕片は舞い上がり防止天井３２の存在により、舞い上がり防止天井３２より上空への舞い上がりを抑えられ、可撓線状体３０の旋回運動領域Ｒに押しとどめられる。即ち、可撓線状体３０により破砕され小さくなった破砕片は、舞い上がり防止天井３２によって可撓線状体３０の旋回運動領域Ｒに押しとどめられ、可撓線状体３０との衝突、他の破砕片との衝突の繰り返しの機会を高められ、より短時間に細片化される。即ち、電極材の基材と活物質をより短時間に個別に粉粒化でき、破砕機２０による電極材の破砕処理効率を向上できる。
(c)舞い上がり防止天井３２が破砕機２０の容器２１の内壁２１Ａに突設した張り出し状をなすとき、容器２１内の舞い上がり防止天井３２より上部に電極材の投入スペースを確保できる。従って、破砕機２０により破砕処理されるために容器２１に投入される電極材の１回の投入容量を、電極材が舞い上がり防止天井３２より上部スペースに達するまで多量にでき、電極材の１回の破砕処理量を多量化できる。舞い上がり防止天井３２より下部に投入された電極材が破砕されて細片化されるに従い、上部スペースの電極材が舞い上がり防止天井３２の下方に落下して破砕処理されるものになる。
(d)破砕機２０に後続する篩分装置４０を有し、破砕機２０により破砕された破砕物を分級し、基材と活物質を分離する。電極材が前述(a)、(b)により基材と活物質に個別に粉粒化され、基材と活物質の特性の相違によりそれらの粒度が互いに異なるものになるとき、それらを篩分装置４０により分級し、基材と活物質とを分離できる。
(e)電極材がリチウムイオン電池の電極材であるとき、上述(a)、(b)の破砕処理により、金属箔集電体である基材は粒度の粗い粒状体になり、活物質は粒度の小さい粉状体になる。
(f)上述(a)〜(e)により、基材に活物質を接着してなる電極材をリサイクルするに際し、リサイクル装置１０と工程を簡易化し、リサイクル作業の時間と費用の低減を図ることができる。
以上、本発明の実施例を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、本発明において破砕機２０の容器２１内で、可撓線状体３０の旋回運動領域Ｒの直上部に設けられる舞い上がり防止天井３２は、容器２１の内壁２１Ａに突設した張り出し状をなすものに限らない。容器２１の破砕室２２の天上面２２Ａそのものを図７に示す如くに低くし、この低い天井面２２Ａを舞い上がり防止天井３２とするものでも良い。
また、本発明が適用される電極材は、リチウムイオン電池の電極材に限らず、他の電池の電極材であっても良い。
本発明によれば、基材に活物質を接着してなる電極材をリサイクルするに際し、リサイクル装置と工程を簡易化し、リサイクル作業の時間と費用の低減を図ることができる。
１ 正極電極材
１Ａ 正極集電体
１Ｂ 正極活物質
２ 負極電極材
２Ａ 負極集電体
２Ｂ 負極活物質
１０ リサイクル装置
２０ 破砕機
２１ 容器
２１Ａ 内壁
２２ 破砕室
２７ 回転軸
３０ 可撓線状体
３２ 舞い上がり防止天井
４０ 篩分装置
１Ａ 正極集電体
１Ｂ 正極活物質
２ 負極電極材
２Ａ 負極集電体
２Ｂ 負極活物質
１０ リサイクル装置
２０ 破砕機
２１ 容器
２１Ａ 内壁
２２ 破砕室
２７ 回転軸
３０ 可撓線状体
３２ 舞い上がり防止天井
４０ 篩分装置
Claims (6)
- 基材に活物質を接着してなる電極材のリサイクル装置において、
電極材を破砕機の容器内に投入し、該容器内の底部の中心に設けた回転軸に取付けられて旋回する可撓線状体により電極材を破砕し、電極材の基材から活物質を剥離するとともに、それらの基材と活物質を個別に粉粒化することを特徴とする電極材のリサイクル装置。 - 前記破砕機の容器内で、可撓線状体の旋回運動領域の直上部に、電極材の舞い上がりを抑える舞い上がり防止天井を設けてなる請求項１に記載の電極材のリサイクル装置。
- 前記舞い上がり防止天井が破砕機の容器の内壁に突設した張り出し状をなす請求項２に記載の電極材のリサイクル装置。
- 前記破砕機に後続する篩分装置を有し、破砕機により破砕された破砕物を分級し、基材と活物質を分離する請求項１〜３のいずれかに記載の電極材のリサイクル装置。
- 前記電極材がリチウムイオン電池の電極材であり、基材が金属箔集電体である請求項１〜４のいずれかに記載の電極材のリサイクル装置。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の電極材のリサイクル装置を用いた電極材のリサイクル方法。
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