JP2015170480A - リチウムイオン二次電池からの有価物回収方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リチウムイオン二次電池を600℃以上の温度で加熱し、次に破砕した後、得られた破砕物に対して気流を用いた形状選別を行い、アルミニウムを重産物として、銅を軽産物として回収することを特徴とする、リチウムイオン二次電池からの有価物回収方法とした。
【選択図】図1
Description
なお、この明細書および特許請求の範囲において、リチウムイオン二次電池とは、リチウムイオン二次電池の製造工程で発生する不良品や使用済みで廃棄される携帯電話、PC、家電用の小型リチウムイオン二次電池、車載用や産業用の大型のリチウムイオン二次電池、およびその他のリチウムを構成要素として含む電池を包含する概念である。
しかし、この提案技術にあっては、アルミニウム、銅などの他の有価物を効率よく回収できるものではなかった。
しかし、この提案技術では、箔形状である正極集電体としてのアルミニウムと負極集電体としての銅は、その形状故に分離する際に、空気の影響を受ける事で煩雑な運動を示し、分離対象物の物理的な挙動の制御が難しく、かならずしも簡易に有価物を分離できる方法ではなかった。
しかし、この提案技術では、正極と負極との選別工程を考慮した場合、その前工程である加熱工程においては、正極と負極との選別が容易となる電池セルの状態で加熱することが望ましく、電池セルの集合体である電池モジュール、更には電池モジュールの集合体である電池パックの場合には、それらを解体した後に加熱することが必要となり、また、正極と負極との選別工程は主に手作業となることから、かならずしも簡易かつ効率的に有価物を回収できる方法ではなかった。
〔1〕リチウムイオン二次電池を600℃以上の温度で加熱し、次に破砕した後、得られた破砕物に対して気流を用いた形状選別を行い、アルミニウムを重産物として、銅を軽産物として回収することを特徴とする、リチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
〔2〕上記破砕物に対する形状選別に先だって、破砕物を篩分けし、1.0〜10.0mmの破砕物に対して、上記形状選別を行うことを特徴とする、上記〔1〕に記載のリチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
〔3〕上記形状選別により得られた重産物に対し、更に磁力選別を行い、重産物中から鉄系金属を分離することを特徴とする、上記〔1〕又は〔2〕に記載のリチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
〔4〕上記篩分けによる10.0mmを超える破砕物に対して、磁力選別により鉄系金属を分離した後、色彩選別により銅を回収することを特徴とする、上記〔2〕に記載のリチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
〔5〕上記形状選別が、気流と振動とを併用したものであることを特徴とする、上記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
〔6〕上記形状選別が、エアーテーブルを用いて行われることを特徴とする、上記〔5〕に記載のリチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
以下、上記した各工程について、詳述する。
加熱工程としては、リチウムイオン二次電池を、電池セル、電池モジュール、そして電池パックを区別することなく、600℃以上の温度で加熱することができれば、その加熱手段、加熱雰囲気などに特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
リチウムイオン二次電池を、600℃以上の温度で加熱することで、該電池中に含まれる電解液などの有害物質の除去および無害化を実施する。また同時に、セパレーターなどの可燃物除去や、後の選別工程での選別効率を高める為にリチウムイオン二次電池中のアルミニウム箔の溶融も目的としている。このアルミニウム箔の溶融目的の為、加熱雰囲気は問わないが、酸化雰囲気での加熱であるならば600℃以上の温度で、可燃物による急激な燃焼を防止する為に還元雰囲気での加熱を行うのであるならばアルミニウムの融点である663℃以上の温度で処理することが望ましい。この温度条件下で加熱し、後工程の破砕を行うことにより、溶融したアルミニウム箔の分離を効果的に行うことができる。かかる観点および経済性の観点から、前記加熱の温度は、アルミニウム箔を溶融させることができる温度以上で、かつ銅の融点以下である、600〜1050℃とすることが好ましく、更には650〜900℃とすることがより好ましい。
リチウムイオン二次電池からアルミニウム、銅などの有価物を効率的に回収する為には、構成する部品、元素の単体分離が必要である。この単体分離を促進することを目的に、加熱したリチウムイオン二次電池の破砕を行う。
この破砕工程における破砕手法は問わないが、アルミニウム箔や銅箔に塗布されているコバルト、ニッケルなどの極材成分を効率良く剥がす、即ち単体分離する為には、原料が攪拌され擦られる効果を持つ破砕手法の選択が望ましく、例えば、攪拌効果を持つ剪断式破砕手法が好ましい。かかる効果的な破砕手法を備える破砕装置としては、例えば、該破砕刃の真下にある交換可能なスクリーンを通過する寸法になるまで破砕原料を再循環しながら破砕処理を行う、剪断式破砕機を挙げることができる。
本発明においては、必要に応じて破砕後に篩分けを行う。この篩分け工程は、加熱、破砕工程を経て単体分離されたリチウムイオン二次電池を、各有価物の選別に適した粒度帯のものとする為に実施する。本発明者等の検証では、JIS Z 8801規格に基づいた篩いを用い、10.0mmを超える破砕物と、1.0〜10.0mmの破砕物と、1.0mmに満たない破砕物とに篩分けすることが、有価物の選別、特にアルミニウム、銅、コバルトの選別に適していることが判明している。これは、10mmを超える破砕物中には、破砕され難い銅が濃縮されている傾向があり、1.0〜10.0mmの中間物に対しては、アルミニウムと銅とを形状選別することで効率的にアルミニウムと銅とを回収でき、1.0mmに満たない破砕物中には、コバルトが濃縮されているためである。
なお、上記破砕工程によって、その殆どの破砕物が1.0〜10.0mmの破砕物である場合には、コバルトが濃縮されている1.0mmに満たない破砕物とアルミニウムと銅が濃縮される破砕物の分離を目的に1.0mmの篩分け工程のみおこなえばよい。また、後の選別工程における選別手法、使用する選別装置によっては、この篩分け工程が不要となる場合もある。
上記加熱工程、破砕工程を経たリチウムイオン二次電池に対し、気流を用いた形状選別を行い、アルミニウムを重産物として、銅を軽産物として回収する。
なお、この明細書および特許請求の範囲において、気流を用いた形状選別とは、少なくとも気流を選別する対象物にあて、対象物の『形状』の相違に基づく気流中で受ける空気抵抗(抗力)の違いを利用して対象物の選別を行うことを意味する。この気流を用いた形状選別によれば、先に記載した加熱・破砕条件にてリチウムイオン二次電池を処理することで、銅は箔状のままで、アルミニウムは溶融塊に形状を調整することができ、この形状を変化させることで、通常の比重選別とは異なり、銅箔を軽産物として、アルミニウム溶融塊を重産物として、それぞれ濃縮・分離することができる。ちなみに、アルミニウムの比重は2.7g/cm3、銅の仕重は8.94g/cm3である。これは、選別の要素となる『比重』、『粒径』そして『形状』のうち、気流を用いることにより、『形状』要素を大きく利用した分離を行った結果である。
風力選別機には、吹上げ式、吸引式、密閉式があるが、いずれにおいても選別機本体内に空気の流れを形成し、その空気流中に処理物を投入し、箔状で空気抵抗(抗力)の大きいものは空気流と共に飛散して軽産物として捕集され、粒状物は抗力に対して重力が勝り、落下して重産物として回収される。これにより、箔状の銅は軽産物側に濃縮され、溶融して塊状となったアルミニウムは重産物側に濃縮され、それぞれ回収される。
図1に、エアーテーブルの構造イメージ図を示す。
対象物(Feed)はフィーダーより供給され、テーブル面の振動運動(図1において左右方向)と空気流(図1において下から上への垂直方向)とにより分離操作を受ける。一般的に重量物は、空気流の影響を受け難く、振動運動により運搬され、図1の左側(Heavy)に落下する。一方軽量物は、空気流の影響を強く受け、浮遊することでテーブル面との摩擦が少ない状態となり、テーブルの傾斜を滑落し、図1の右側(Light)に落下する。
このような分離操作を行うエアーテーブルに、形状差のあるものを供給した場合、厚いものや球形に近い形状の物は空気流の影響をあまり受けないため、たとえ比重の小さなものでも重量物と同様の挙動をする。また薄い箔状の物は空気流の影響を強く受けるため、比重の大きなものでも軽量物と同様の挙動をする。そのため、箔状の銅は軽産物側に濃縮され、溶融して塊状となったアルミニウムは重産物側に濃縮され、それぞれ回収される。
本発明者等の検証では、エアーテーブルを用いた選別によって、軽産物側には銅品位80wt%以上の比較的品位の高い銅を回収することができることが判明している。なお、重産物側にはアルミニウム溶融塊、一部の銅箔の他に、破砕された鉄屑が存在する。これらは例えば磁力選別により鉄屑除去後に、再度形状選別を行うことで、銅とアルミニウムの分離が可能であるが、銅やアルミニウムの品位と選別コストを考慮し、ミックスメタルとして売却することも考えられる。
この粒度帯では、リチウムイオン二次電池の電池セルや電池モジュールに使用されるステンレスや鉄系部品の他、破砕され難い銅箔が濃縮され、少量のアルミニウム箔やその溶融塊が存在する。ステンレスや鉄系部品は磁力選別により容易に除去は可能である。また、アルミニウムと銅は10.0mmを超える粗粒として存在する為、分離が容易となる。
磁力選別設備により、磁着物である鉄系金属を分離した後、非磁着物であるアルミニウムと銅を金属探知機と色彩選別技術を組合せた公知のソーティング設備により、銅を選択的に選別する。この選別により、銅は品位95wt%以上の高品位銅を得る事ができる。
また、アルミニウムは、10.0mm超の破砕物の選別残や、1.0〜10.0mmの破砕物に対して行った気流を用いた形状選別により重産物側に濃縮される傾向があり、これにより、電池モジュールに含まれるアルミニウムの約90%を回収することができることが分かる。但し、これらは品位が低いことが懸念されるため、再度ソーティングや形状選別を行うことで品位の向上が可能であるが、銅やアルミニウムの品位と選別コストを考慮し、ミックスメタルとして合金メーカーへの売却も可能である。
コバルトに関しては、電池モジュールの60〜70%を1.0mm未満の破砕物として回収が可能である。同時に、これらには多量のリチウムを含むことから、例えばセメント原料として再利用する事が可能である。
Claims (6)
- リチウムイオン二次電池を600℃以上の温度で加熱し、次に破砕した後、得られた破砕物に対して気流を用いた形状選別を行い、アルミニウムを重産物として、銅を軽産物として回収することを特徴とする、リチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
- 上記破砕物に対する形状選別に先だって、破砕物を篩分けし、1.0〜10.0mmの破砕物に対して、上記形状選別を行うことを特徴とする、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
- 上記形状選別により得られた重産物に対し、更に磁力選別を行い、重産物中から鉄系金属を分離することを特徴とする、請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
- 上記篩分けによる10.0mmを超える破砕物に対して、磁力選別により鉄系金属を分離した後、色彩選別により銅を回収することを特徴とする、請求項2に記載のリチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
- 上記形状選別が、気流と振動とを併用したものであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
- 上記形状選別が、エアーテーブルを用いて行われることを特徴とする、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池からの有価物回収方法。
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