JP2018120716A - 使用済みリチウムイオン電池からの有価物回収方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リチウムイオン電池の放電工程、放電後のリチウムイオン電池を熱処理して可燃成分を熱分解除去すると共に正極活物質のリチウム化合物を磁性酸化物に還元する熱分解工程、熱分解後のリチウムイオン電池を風力選別にかけるサイズに粉砕すると共に前記磁性酸化物の一部をアルミニウム箔に残留させ、残部の磁性酸化物を該アルミニウム箔から剥離する破砕工程、破砕物を篩分けして篩上産物と篩下産物とに分離し、篩下産物に含まれる前記磁性酸化物および負極活物質成分を回収する篩分工程、前記篩上産物を重産物と軽産物に分離する風力選別工程、前記軽産物から前記磁性酸化物が残留したアルミニウム箔を磁着物として選別して回収すると共に非磁着物の銅箔を回収する磁力選別工程を有することを特徴とする有価物回収方法。
【選択図】図1
Description
〔1〕外装材に電極構造体が収納されている使用済みリチウムイオン電池について、該電極構造体に含まれる集電体の銅箔、アルミニウム箔、および該集電体に担持されている活物質成分、リード線、および該外装材の金属材を含む有価物を分別回収する方法であって、下記(イ)〜(ヘ)の各工程を有することを特徴とする有価物回収方法。
(イ)リチウムイオン電池の放電工程、
(ロ)放電後のリチウムイオン電池を熱処理し、該電池に含まれる可燃成分を熱分解して除去すると共に、電極構造体の正極活物質であるリチウム化合物を磁性酸化物に還元する熱分解工程、
(ハ)熱分解後のリチウムイオン電池を後工程の風力選別にかけるサイズに粉砕すると共に、前記磁性酸化物の一部を集電体のアルミニウム箔に残留させる一方、残部の磁性酸化物を該アルミニウム箔から剥離する破砕工程、
(ニ)破砕物を篩分けして篩上産物と篩下産物とに分離し、この篩下産物に含まれる前記磁性酸化物および負極活物質成分を回収する篩分工程、
(ホ)前記篩上産物を重産物と軽産物に分離する風力選別工程、
(ヘ)前記軽産物から前記磁性酸化物が残留したアルミニウム箔を磁着物として選別して回収すると共に非磁着物の銅箔を回収する磁力選別工程。
〔2〕風力選別工程において、外装材の金属破砕物および電極構造体の金属破砕物を含む重産物と、破砕された集電体の銅箔およびアルミニウム箔の軽産物とを含む、粒度5mm角以上〜20mm角以下の篩上産物に対して、風速3m/s以上〜12m/s以下の風力を用いて、前記軽産物を前記重産物から分離する前記[1]に記載する有価物回収方法。
〔3〕磁力選別工程において、付着した磁性酸化物のコバルトおよびニッケルの合計量が1質量%以上〜15質量%以下の磁性酸化物付着アルミニウム箔に対して、表面磁束密度が1000ガウス以上〜8000ガウス未満の磁力を用いて、該磁性酸化物が残留したアルミニウム箔を磁着物として選別し、非磁着物の銅箔と分離する前記[1]または前記[2]に記載する有価物回収方法。
〔4〕前記磁性酸化物が残留したアルミニウム箔を磁着物として回収した後に、該磁着物をさらに粉砕してアルミニウム箔と該磁性酸化物を剥離して分離する磁性酸化物剥離工程を有する前記[1]〜前記[3]の何れかに記載する有価物回収方法。
〔5〕風力選別した重産物に含まれる金属破砕物の鉄材を磁力選別する鉄材分離工程を含む前記[1]〜前記[4]の何れかに記載する有価物回収方法。
〔6〕鉄材を分離した非磁着物に含まれるアルミニウム破砕物と銅破砕物とを分離して回収する非鉄選別工程を有する前記[1]〜前記[5]の何れかに記載する有価物回収方法。
〔7〕前記[6]の非鉄選別工程において、色彩選別または篩分けによって非磁着物に含まれるアルミニウム破砕物と銅破砕物とを分離し回収する有価物回収方法。
〔8〕放電工程において、単セルの電池電圧が0.6V以下になるまで放電させる前記[1]〜前記[7]の何れかに記載する有価物回収方法。
〔9〕熱分解工程において、非酸化性雰囲気中にて、400℃以上〜600℃以下でリチウムイオン電池を加熱する前記[1]〜前記[8]の何れかに記載する有価物回収方法。
〔10〕破砕工程において、リチウムイオン電池の外装材および電極構造体を破砕する一次破砕工程と、一次破砕物を篩分けした一次篩上産物を風力選別にかけるサイズに粉砕すると共に前記磁性酸化物の一部をアルミニウム箔に残留させる一方、残部の磁性酸化物をアルミニウム箔から剥離する二次破砕工程とが設けられている前記[1]〜前記[9]の何れかに記載する有価物回収方法。
本発明の処理対象であるリチウムイオン電池は、一般に金属製の外装材に電極構造体が収容されており、該電極構造体は負極と正極、セパレータ、電解液などから形成されている。本発明の処理方法は、この使用済みリチウムイオン電池から、負極の銅箔と正極のアルミニウム箔、および負極と正極の活物質を分別回収する方法であり、図1に示す処理方法は、該リチワムイオン電池の放電工程、熱分解工程、一次破砕工程、一次篩分工程、二次破砕工程、二次篩分工程、風力選別工程、磁力選別工程、磁性酸化物剥離工程、鉄材分離工程、および非鉄選別工程が設けられている。
放電工程では、使用済みリチウムイオン電池を放電させる。この放電によって、後工程での電池のショート(短絡)による爆発や発火、高電圧の電極部材との接触による感電事故を防止することができる。好ましくは、単セルの電池電圧が0.6V以下になるまで放電させる。単セルの電池電圧を0.6V以下に過放電させると、負極の銅箔(集電体)の表面が電気化学的に溶出するため、銅箔と負極活物質(黒鉛等)とを容易に剥離することができる。放電工程は、電極間に抵抗を与えて放電させることができ、例えば、電子負荷装置に接続して電流や電圧を制御しながら短時間で放電を行うことができる。また、リチウムイオン電池を、塩化ナトリウム水溶液などの導電性水溶液に長時間浸漬させて自然に放電させてもよい。
熱分解工程では、放電したリチウムイオン電池を熱分解して、可燃成分、例えば、セパレータ(多孔質の有機物フィルム等)や電解液(リチウム塩が溶解した有機溶媒)やその他の可燃成分(樹脂)を分解除去する工程であり、また電極構造体の正極活物質であるコバルト酸リチウム等のリチウム化合物をバインダーのポリフッ化ビニリデンや電解液等が分解して生じた炭素等やフッ化水素と反応させて酸化コバルト等の磁性酸化物にする工程である。例えば、正極活物質のコバルト酸リチウムは、次式のように還元して酸化コバルトおよびフッ化リチウムに分解する。
4LiCoO2+4HF+C → 4CoO+4LiF+CO2+2H2O
一次破砕工程では、熱分解後のリチウムイオン電池の外装材と正極および負極を破砕する。この一次破砕によって、負極(銅箔と負極活物質)、正極(アルミニウム箔と酸化コバルト等)が外装材から露出し、所定サイズに裁断されることよって解体され、選別可能な状態になる。また、この破砕中に、負極および正極に弱く付着している前記磁性酸化物や負極活物質成分は集電体(アルミニウム箔および銅箔)から容易に剥離される。
一次節分工程では、一次破砕物を篩分けして一次篩上産物と一次篩下産物とに分離し、該一次篩下産物に含まれる前記磁性酸化物や負極活物質成分を回収する。一次破砕物として得られる前記磁性酸化物や負極活物質成分の粉末は一般に数十μmであるので、一次節分工程において使用する篩は、0.1mm以上〜1.0mm以下の目開きが好ましく、0.2mm以上〜0.5mm以下の目開きがより好ましい。篩の眼開きが1.0mmより大きいと、集電体である銅箔やアルミニウム箔の破砕物が混入する割合が多くなる。一方、筋の目聞きが0.1mmより小さいと、節分けの処理速度が低くなり、また、前記磁性酸化物や負極活物質成分が0.1mm程度の凝集塊として存在することがあるので、これらを篩下産物として回収できない場合がある。
二次破砕工程では、一次篩上産物を後工程の風力選別にかけるサイズに粉砕すると共に、前記磁性酸化物の一部をアルミニウム箔に残留させる一方、残部の磁性酸化物をアルミニウム箔から剥離する。風力選別にかけるサイズとしては、例えば、約3mm角以上〜30mm角以下の範囲が好ましく、5mm角以上〜20mm角以下の範囲がより好ましい。二次破砕工程の破砕装置としては、ハンマークラッシャー、カッターミル等の衝撃式あるいは高速せん断式の粉砕機を用いることができる。
二次篩分工程では、二次破砕物を篩分けして二次篩上産物と二次篩下産物とに分離し、該二次篩下産物に含まれる前記磁性酸化物や負極活物質成分を回収する。一次破砕工程において剥離しなかった前記磁性酸化物や負極活物質成分の粉末は、二次破砕工程で剥離され、この二次篩分工程で篩下産物として回収される。
風力選別工程では、二次篩上産物を重産物と軽産物に分離する。重産物とは、例えば、粒度が約5mm角以上〜約20mm角以下の篩上産物において、風速3m/s以上〜12m/s以下の風力によって移動されずに残留する二次篩上産物であり、軽産物とは粒度が約5mm角以上〜約20mm角以下の篩上産物において、風速3m/s以上〜12m/s以下の風力によって移動ないし吹き飛ばされる二次篩上産物である。重産物には外装材および電極構造体の金属破砕物(金属塊)が含まれており、軽産物には銅箔および前記磁性酸化物が少量付着したアルミニウム箔が含まれている。
磁力選別工程では、前記磁性酸化物が少量付着したアルミニウム箔を磁着物とし、非磁着物の銅箔から分離する。磁性酸化物の残留付着によるコバルトおよびニッケルの合計量が1質量%以上〜15質量%以下、好ましくは1質量%以上〜10質量%以下のアルミニウム箔に対して、表面磁束密度が1000ガウス以上〜8000ガウス未満、好ましくは5000ガウス以上〜8000ガウス未満の磁力を用いて磁力選別を行うことによって、このアルミニウム箔が確実に磁着物として分離され、アルミニウム箔と銅箔とが高い精度で分別される。
磁性酸化物剥離工程は、磁力選別によって回収されたアルミニウム箔を、さらに粉砕してアルミニウム箔とこれに付着している磁性酸化物とに分離する。該磁性酸化物はアルミニウム箔の表面に付着しているため、ハンマークラッシャーなどの衝撃粉砕、あるいは気流粉砕機による摩擦粉砕によって、アルミニウム箔から該磁性酸化物を剥離して、篩分けして該磁性酸化物を回収することができる。また、水中で粉砕してアルミニウム箔と磁性酸化物を剥離してもよい。この磁着物粉砕工程と粉砕物の篩分けは必要に応じて行えば良い。
鉄材分離工程は、風力選別された重産物に含まれる金属破砕物のうち、鉄材を磁気選別して回収する。風力選別された重産物には外装材に使用された鉄板、あるいは装着されていた鉄製ボルトやビス等が含まれており、これらを磁力選別によって回収することができる。この磁力選別によって塊状の鉄材が分離された後の重産物には外装材由来のアルミニウム破砕物および電極構造体に含まれる電極リード線の銅材などの非鉄金属が含まれており、これらを非磁着物として回収することができる。この鉄材分離工程は必要に応じて行えば良い。
非鉄選別工程では、塊状の鉄材が分離された重産物に含まれている外装材由来のアルミニウム破砕物と、電極リード線に使用される銅破砕物が分離される。非鉄選別工程では、金属破砕物の大きさ、形状および色彩などの物理性状に応じて、色彩選別装置あるいは分級装置などを利用するとよい。銅が赤銅色、アルミニウムが白灰色であることを利用して、色彩選別によって外装材由来のアルミニウムと銅材を効率よく分離回収することができる。この非鉄選別工程は必要に応じて行えば良い。
各例において、アルミニウム箔に付着している強磁性体粒子が付着したアルミニウム箔のコバルト量およびニッケル量は、酸溶解してICP発光分光分析装置を用いて定量分析を行った。磁着物および非磁着物に含まれる銅およびアルミニウムは、酸溶解してICP発光分光分析装置を用いて定量分析を行った。
使用済みリチウムイオン電池(LIB)セル3.32kgを、電子負荷装置を用いて単セルの電池電圧が0.6V以下になるまで放電した。この放電セルをバッチ式ロータリーキルンによって窒素雰囲気下で熱分解処理した。熱分解は昇温速度を10℃/分とし、500℃に1時間保持した後に自然冷却した。セルの重量は2.56kgになり、24%重量減少した。この熱分解残渣を一次破砕した。一次破砕は二軸破砕機を用いて2回破砕した。この一次破砕物について目開き0.5mmの篩を用いて一次篩分を行い、一次篩下産物を回収した。一次篩上産物については二次破砕を行った。二次破砕はハンマークラッシャーを用いて1回破砕した。この二次破砕物について目開き0.5mmの篩を用いて二次篩分けを行い、二次篩下産物を回収した。一次篩下産物と二次篩下産物の合計量は0.86kgであり、ほぼ全量が負極活物質成分および熱分解によって生成した磁性酸化物であり、磁性酸化物を含む活物質成分の回収率は90wt%であった。
一方、1.60kgの二次篩上産物を得た。この二次篩上産物について風速12m/sの風力で風力選別を行い、外装材由来の金属破砕物を含む重産物1.06kgと、金属箔破砕物を含む軽産物0.54kgを得た。この軽産物について磁力選別を行った。この磁力選別はレア・アースセパレータを用い、磁束密度500ガウス〜15000ガウスの磁力とし、熱分解によって生じた磁性酸化物が付着したアルミニウム箔を磁着物として選別した。磁力選別の磁束密度、アルミニウム箔に付着している磁性酸化物に由来するCoとNiの合計量、磁力選別の効果を表1に示した。
好ましくは、前記CoNi合計量が1〜10wt%のアルミニウム箔に対して、磁束密度1000〜8000ガウスの磁力を用いると良く、磁着物のアルミニウム濃度は48%以上である(No.3〜5,No.7〜9,No.11〜14)。
さらに好ましくは、前記CoNi合計量が1wt%のアルミニウム箔に対して、磁束密度1000〜8000ガウスの磁力を用いると、磁着物のアルミニウム濃度は87wt%以上であり、銅濃度は8.1wt%以下である(No.3〜5)。
一方、前記CoNi合計量が0.5wt%では、磁束密度が5000ガウスでも磁着物の量が少ない(No.1)。また、前記CoNi合計量が1wt%のアルミニウム箔に対して磁束密度500ガウスの磁力を用いたときも、磁着量が少なく(No.2)、何れもアルミニウム箔を磁着物として十分に回収できない。
また、前記CoNi合計量が1〜15wt%でも、磁束密度が15000ガウスでは、磁着物に巻き込まれる銅箔の量が多いため、磁着物の銅濃度が高くなり、アルミニウム箔と銅箔の分離精度が低下する(No.6、No.10、No.17)。
前記CoNi合計量が18wt%では、磁束密度が1000ガウスでも、アルミニウム箔が磁石に吸着する勢いが強すぎるため、銅箔が巻き込まれ、磁着物の銅濃度が高くなり、アルミニウム箔と銅箔の分離精度が低下する(No.18)。
使用済みリチウムイオン電池(LIB)セル3.32kgについて、実施例1と同様の一次破砕および一次篩分、二次破砕および二次篩分を行い、1.60kgの二次篩上産物を得た。この二次篩上産物の粒度は5mmから20mmであった。この二次篩上産物について、風速2m/s〜15m/sで風力選別を行い、重産物と軽産物に分離した。この結果を表2に示した。表2に示すように、風速3m/s以上〜12m/s以下の風力を用いて選別を行うことによって、外装材および電極構造体由来の金属破砕物を含む重産物と、集電体のアルミニウム箔および銅箔を含む軽産物とを精度よく分離することができる。
風速が2m/sでは、金属箔を十分に吹き上げることができず、重産物側に残る金属箔の量が多くなる。一方、風速が15m/sでは、外装材等の金属破砕物が金属箔と共に吹き上げられ、軽産物に含まれる金属破砕物の量が多くなる。このように、風速2m/sでは風力が弱過ぎ、風速15m/sでは風力が強過ぎるので、何れの場合も金属破砕物と金属箔との分離が不十分になる。
実施例1の風力選別によって回収した重産物1.06kgについて、磁束密度500ガウスの磁力を用い、該重産物に含まれている鉄材0.07kgを磁着して分離し、非磁着物0.99kgを回収した。この非磁着物について、色彩選別装置(トムラ製)を用い、アルミニウム破砕物0.78kg(品位97wt%)と銅破砕物0.21kg(品位84.6wt%)を回収した。
実施例1の磁力選別によって回収した磁着物(表1に示す試料No.9)0.138kgを、ハンマークラッシャーを用いて粉砕し、アルミニウム箔0.16kg(回収率17wt%)と、磁性酸化物0.02kgを回収した。この回収した磁性酸化物と実施例1において回収した活物質成分とを合わせた活物質成分の回収率は92wt%であった。回収率は破砕前の電池に含まれている重量に対する回収量の比である。
磁力選別工程では、前記磁性酸化物が少量付着したアルミニウム箔を磁着物とし、非磁着物の銅箔から分離する。磁性酸化物の残留付着によるコバルトおよびニッケルの合計量が1質量%以上〜15質量%以下、好ましくは1質量%以上〜10質量%以下のアルミニウム箔に対して、表面磁束密度が1000ガウス以上〜8000ガウス未満、好ましくは1000ガウス以上〜5000ガウス以下の磁力を用いて磁力選別を行うことによって、このアルミニウム箔が確実に磁着物として分離され、アルミニウム箔と銅箔とが高い精度で分別される。
また、本発明では、好ましくは、前記CoNi合計量が1〜10wt%のアルミニウム箔に対して、磁束密度1000〜8000ガウスの磁力を用いると、磁着物のアルミニウム濃度は48wt%以上であり(No.3〜5,No.7〜9,No.11〜14)、磁束密度1000〜5000ガウスの磁力を用いると、磁着物のアルミニウム濃度は50.7wt%以上である(No.3,4、No.7,8、No.11,13)。
また、前記CoNi合計量が1wt%のアルミニウム箔に対して、磁束密度1000〜8000ガウスの磁力を用いると、磁着物のアルミニウム濃度は87wt%以上であって銅濃度は8.1wt%以下であり(No.3〜5)、磁束密度1000〜5000ガウスの磁力を用いると、磁着物のアルミニウム濃度は91.1wt%以上であって銅濃度は4.6wt%以下である(No.3,4、No.7,8、No.11,13)。
一方、前記CoNi合計量が0.5wt%では、磁束密度が5000ガウスでも磁着物の量が少ない(No.1)。また、前記CoNi合計量が1wt%のアルミニウム箔に対して磁束密度500ガウスの磁力を用いたときも、磁着量が少なく(No.2)、何れもアルミニウム箔を磁着物として十分に回収できない。
また、前記CoNi合計量が1〜15wt%でも、磁束密度が15000ガウスでは、磁着物に巻き込まれる銅箔の量が多いため、磁着物の銅濃度が高くなり、アルミニウム箔と銅箔の分離精度が低下する(No.6、No.10、No.17)。
前記CoNi合計量が18wt%では、磁束密度が1000ガウスでも、アルミニウム箔が磁石に吸着する勢いが強すぎるため、銅箔が巻き込まれ、磁着物の銅濃度が高くなり、アルミニウム箔と銅箔の分離精度が低下する(No.18)。
Claims (10)
- 外装材に電極構造体が収納されている使用済みリチウムイオン電池について、該電極構造体に含まれる集電体の銅箔、アルミニウム箔、および該集電体に担持されている活物質成分、リード線および該外装材の金属材を含む有価物を分別回収する方法であって、下記(イ)〜(ヘ)の各工程を有することを特徴とする有価物回収方法。
(イ)リチウムイオン電池の放電工程、
(ロ)放電後のリチウムイオン電池を熱処理し、該電池に含まれる可燃成分を熱分解して除去すると共に、電極構造体の正極活物質であるリチウム化合物を磁性酸化物に還元する熱分解工程、
(ハ)熱分解後のリチウムイオン電池を後工程の風力選別にかけるサイズに粉砕すると共に、前記磁性酸化物の一部を集電体のアルミニウム箔に残留させる一方、残部の磁性酸化物を該アルミニウム箔から剥離する破砕工程、
(ニ)破砕物を篩分けして篩上産物と篩下産物とに分離し、この篩下産物に含まれる前記磁性酸化物および負極活物質成分を回収する篩分工程、
(ホ)前記篩上産物を重産物と軽産物に分離する風力選別工程、
(ヘ)前記軽産物から前記磁性酸化物が残留したアルミニウム箔を磁着物として選別して回収すると共に非磁着物の銅箔を回収する磁力選別工程。 - 風力選別工程において、外装材の金属破砕物および電極構造体の金属破砕物を含む重産物と、破砕された集電体の銅箔およびアルミニウム箔の軽産物とを含む、粒度5mm角以上〜20mm角以下の篩上産物に対して、風速3m/s以上〜12m/s以下の風力を用いて、前記軽産物を前記重産物から分離する請求項1に記載する有価物回収方法。
- 磁力選別工程において、付着した磁性酸化物のコバルトおよびニッケルの合計量が1質量%以上〜15質量%以下の磁性酸化物付着アルミニウム箔に対して、表面磁束密度が1000ガウス以上〜8000ガウスの磁力を用いて、該磁性酸化物が残留したアルミニウム箔を磁着物として選別し、非磁着物の銅箔と分離する請求項1または請求項2に記載する有価物回収方法。
- 前記磁性酸化物が残留したアルミニウム箔を磁着物として回収した後に、該磁着物をさらに粉砕してアルミニウム箔と該磁性酸化物を分離し回収する磁性酸化物剥離工程を有する請求項1〜請求項3の何れかに記載する有価物回収方法。
- 風力選別した重産物に含まれる金属破砕物の鉄材を磁力選別する鉄材分離工程を含む請求項1〜請求項4の何れかに記載する有価物回収方法。
- 鉄材を分離した非磁着物に含まれるアルミニウム破砕物と銅破砕物とを分離して回収する非鉄選別工程を有する請求項1〜請求項5の何れかに記載する有価物回収方法。
- 請求項6の非鉄選別工程において、色彩選別または篩分けによって非磁着物に含まれるアルミニウム破砕物と銅破砕物とを分離し回収する有価物回収方法。
- 放電工程において、単セルの電池電圧が0.6V以下になるまで放電させる請求項1〜請求項7の何れかに記載する有価物回収方法。
- 熱分解工程において、非酸化性雰囲気中にて、400℃以上〜600℃以下でリチウムイオン電池を加熱する請求項1〜請求項8の何れかに記載する有価物回収方法。
- 破砕工程において、リチウムイオン電池の外装材および電極構造体を破砕する一次破砕工程と、一次破砕物を篩分けした一次篩上産物を風力選別にかけるサイズに粉砕すると共に前記磁性酸化物の一部をアルミニウム箔に残留させる一方、残部の磁性酸化物をアルミニウム箔から剥離する二次破砕工程とが設けられている請求項1〜請求項9の何れかに記載する有価物回収方法。
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