JP2020038798A - 流体電解質を含む電池の再生方法及び再生装置 - Google Patents
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Abstract
Description
リチウムイオン電池をコアとする蓄電システムは電動自動車の重要動力システムである。電動自動車が世界的に広く普及するにつれ、蓄電システムの回収は急ぎ解決が必要な問題となっている。
機械処理は基本的に物理方式を採用して粉砕、収集、分類の手順で古い廃棄リチウム電池の材料を回収するもので、磁選、エアバリスティック分離、篩分が含まれる。
乾式製錬法は高温を使用して材料を回収するもので、熱融解、製錬、蒸留、精錬を含む。但し、リチウムと有機化合物はこのような方法を使用して回収することはできない。
湿式製錬法は通常、機械処理を行い、粉砕した後の材料に酸またはアルカリを使用して溶液中で浸出させ、精製して抽出する。既知の古い廃棄リチウム電池の回収技術について、以下で簡単に説明する。
この処理方法は、上記電池部材および処理液を接触させることにより、硫化水素を発生させるとともに、上記硫化物固体電解質材料に含まれるリチウムを上記処理液に溶解させる接触工程と、上記リチウムが溶解した処理液から、不溶成分である上記正極活物質を回収する正極活物質回収工程と、上記不溶成分である正極活物質を回収した処理液から、リチウム化合物を回収するリチウム化合物回収工程と、を有することを特徴とする。
特許文献3は、湿式粉砕した金属ケース入りアルカリ乾電池から二酸化マンガン、水酸化亜鉛/酸化物と鋼鉄を回収する、アルカリ電池の回収処理技術を提供している。
また別にアルカリ乾電池の電極に直接用いることができる鋼鉄と高純度二酸化マンガンを回収する方法もある。
さらに、特許文献4は、リチウムイオン電池の正極材料を回収する方法の例示を提供している。一例において、正極材料が圧力下で、濃縮水酸化リチウム溶液中で加熱される。 加熱後、正極材料が濃縮水酸化リチウム溶液中から分離される。分離後、アルカリ溶液中で該正極材料が洗浄される。洗浄後、該正極材料が乾燥され、焼結される。
古い廃棄リチウム電池を分解する技術は、分解過程で廃ガス、廃液、廃棄物等の汚染が発生し、生態環境に対する隠れた危険を引き起こしたり、さらには健康に有害となる恐れもあるが、回収と処理を行わないと資源の無駄となることは理解できる。実務上、リチウム電池の回収コストは非常に高く、例えば回収過程で消費されるエネルギーコストと時間コストによって、回収コストが回収して得られる材料の価値を上回ってしまう可能性がある。
好ましくは、前記コア構造を該機能性電解液に浸漬する工程が、該機能性電解液の流動を保持する工程を含む。
好ましくは、前記コア構造を該機能性電解液に浸漬する工程が、該コア構造に0V〜5Vの電圧を印加して、該固体電解質界面膜の除去に用いる工程を含む。
好ましくは、前記コア構造を該機能性電解液に浸漬する間に該コア構造の容量を測定し、容量が正常範囲の容量に達したとき、該機能性電解液の成分調整を停止する工程を含む。
前記機能性電解液の濃度がリチウムイオン濃度を含むことがある。
好ましくは、前記機能性電解液の成分調整を停止した後、該機能性電解液を回収して保存し、次回の再生プロセスでの使用に供する工程を含む。
好ましくは、前記機能性電解液の成分調整を停止した後、該コア構造が浸漬された該機能性電解液の特性パラメータを再度測定する工程を含む。
好ましくは、前記容器が入口と出口を備え、前記ポンプが管路を介して該容器の入口と機能性電解液保存槽に連接され、前記コントローラが該ポンプを制御して機能性電解液を入口から前記容器に注入させ、前記センサーユニットが管路を介して前記容器の出口に連接され、前記容器の出口から流出する機能性電解液の特性パラメータを測定するために用いられ、前記コントローラが前記センサーによる測定で得られた特性パラメータに基づき、前記ポンプを制御して前記機能性電解液保存槽中のいずれか適した機能性電解液を入口から前記容器に注入させる。
この場合、前記容器の出口が管路を介して前記多流路制御弁に連接され、前記容器中の機能性電解液の特性パラメータが正常な電池で使用される電解液の特性パラメータに合致したとき、前記コントローラが前記多流路制御弁を制御して前記容器の出口から排出された機能性電解液を前記機能性電解液保存槽のうちの1つに戻し、保存させることがある。
好ましくは、パッケージハウジング除去済みの電池のコア構造に電気的に接続された容量測定回路を含み、該容量測定回路がパッケージハウジング除去済みの電池のコア構造の容量を測定するために用いられ、該容量が正常な範囲の容量に達したとき、機能性電解液の注入が停止される。
リチウムイオン電池を例とする。
リチウムイオン電池では、初回の充放電時にリチウムイオンが正極の活物質中から放出され、セパレーターを通過してさらに電解液に進入し、最後に負極カーボン材料の層状空隙中に取り込まれ、リチウムイオンの1回の放出・取り込みの挙動が完了される。このとき、正極から電子が回路に沿って出て、負極カーボン材料中に進入する。
電解液は一部の電子を得た後還元反応を発生し、リチウムイオンと結合反応して厚さが約100〜120nmの界面膜を生成する。この界面膜が固体電解質界面(solid electrolyte interphase、SEI)膜であり、以下では略してSEI膜と呼ぶ。SEI膜は通常電極材料と電解液の間に形成される固液相界面膜である。電子、電解液中の溶剤及びリチウムイオンの間に酸化還元反応が発生し、溶剤分子が電子を受け取った後、リチウムイオンと結合してSEI膜を形成し、かつH2、CO、CH2=CH2等の気体を生成する。SEI膜の厚さが大きくなると、電子が通過できなくなり、鈍化層が形成され、酸化還元反応の継続が抑制される。
本発明の流体電解質を含む電池の再生方法は、電池に悪影響があるSEI膜を適度に除去することができる。また再生過程において濃度と導電率をテストする必要性があることも説明できる。
A. 電池のパッケージハウジングを取り除き、電池のコア構造を露出させる。該コア構造は、陰極、セパレーター(separator)、陽極、電極構造を含む。
B. コア構造を固体電解質界面(SEI)膜の除去に適した機能性電解液に浸漬し、該機能性電解液を利用して活物質と電解液の間に形成された固体電解質界面を除去する。この時、機能性電解液の流動を保持することが好ましい。
C. コア構造を機能性電解液に浸漬している間に機能性電解液の特性パラメータを測定する。該特性パラメータは、機能性電解液の濃度と導電率を含む。
D. 測定して得られた特性パラメータに基づき、機能性電解液の成分を調整し、機能性電解液の特性パラメータが正常な電池で使用される電解液の特性パラメータに合致したとき、機能性電解液の成分調整を停止する。
E. コア構造を再度パッケージし、再生した電池とする。
工程Dを実現するには、数種類の異なる機能性電解液を準備する必要があり、これらの異なる機能性電解液は、イオン濃度が異なる数種類の機能性電解液と、該機能性電解液に適した溶剤を含む。
D1. 測定して得られた機能性電解液の濃度(例えばリチウムイオン濃度)が正常な電池で使用される電解液の濃度であるか否かを判断する。
D2. 機能性電解液の濃度が正常な濃度より低いとき、濃度が正常な濃度より高い高濃度の機能性電解液をコア構造が浸漬された機能性電解液に注入する。
D3. 機能性電解液の濃度が正常な濃度より高いとき、濃度が正常な濃度より低い低濃度の機能性電解液をコア構造が浸漬された機能性電解液に注入する。
D4. 測定して得られた機能性電解液の導電率が正常な電池で使用される電解液の導電率であるか否かを判断する。
D5. 機能性電解液の導電率が高すぎる、または不足するとき、適した機能性電解液をコア構造が浸漬された機能性電解液に注入する。
該機能性電解液の特性パラメータ(例えばイオン濃度と導電率)を再度確認し、正常な電池で使用する範囲に合致していることを確約し、該コア構造の容量が正常な容量に達していることを確認するために用いられる。
流体電解質を含む電池の再生装置は、容器10と、センサーユニット20と、複数の機能性電解液保存槽30A〜30Cと、少なくとも1つのポンプ40と、コントローラ50を含む。
異なる電池には異なる機能性電解液が適用されるため、異なる機能性電解液保存槽30A〜30Cの中に電池の再生過程に使用するタイプの異なる機能電解液を保存する必要があり、異なる機能性電解液が該機能性電解液保存槽30A〜30Cにそれぞれ保存される。
ポンプ40は管路Pを介して容器10と機能性電解液保存槽30A〜30Cに連接される。
コントローラ50はセンサーユニット20とポンプ40に電気的に接続され、コントローラ50がポンプ40を制御して該異なる機能性電解液のうちSEI膜の除去に適した機能性電解液(例えば機能性電解液保存槽30A中に保存された機能性電解液)を容器10に注入し、コア構造Cを機能性電解液中に浸漬させる。
センサーユニット20は複数のセンサー21を含み、コア構造Cが機能性電解液に浸漬されている間にセンサー21で容器10内の機能性電解液の特性パラメータを測定する。
流動を実現するには、例えば、図5に示す別の実施例のように、容器10が入口11と出口12を備え、ポンプ40が管路Pを介して容器10の入口11と複数の機能性電解液保存槽30A〜30Cに連接され、コントローラ50がポンプ40を制御して機能性電解液を入口11から容器10に注入させる。
センサーユニット20が管路Pを介して容器10の出口12に連接され、容器10の出口12から流出する機能性電解液の特性パラメータを測定し、コントローラ50がセンサー21により測定して得られた特性パラメータに基づきポンプ40を制御し、機能性電解液保存槽30A〜30Cのうちのいずれか適した機能性電解液を入口11から容器10に注入させる。これによりコア構造Cを浸漬した機能性電解液の流動を保持することができる。
この実施例では、容器10は入口11と出口12を備え、ポンプ40が多流路制御弁60と管路Pを介して容器10の入口11と機能性電解液保存槽30A〜30Dに連接され、コントローラ50がポンプ40と多流路制御弁60を制御して機能性電解液を入口11から容器10に注入させる。
また、センサーユニット20が管路Pを介して容器10の出口12に連接され、容器10の出口12から流出する該機能性電解液の特性パラメータを測定するために用いられる。
コントローラ50はセンサー21による測定で得られた特性パラメータに基づき、ポンプ40と多流路制御弁60を制御して機能性電解液保存槽30A〜30D中のいずれか適した機能性電解液を入口11から容器10に注入させる。
例えば固体電解質界面(SEI)膜の除去に適した機能性電解液を元の同じ機能性電解液保存槽30Aに戻したり、その他機能性電解液の回収専用の機能性電解液保存槽30Dに戻してもよい。つまり、このように機能性電解液保存槽30Aに回収した機能性電解液は再度バランスが取れた電解液であり、例えばリチウムイオン電池で使用されるリチウム含有電解液は、適したリチウムイオン濃度と導電率を有し、このような機能性電解液保存槽30Aに回収した機能性電解液は復元したコア構造Cの新しいパッケージハウジングの中に直接注入し、再生した電池とすることができる。
容量測定回路80はコア構造Cが機能性電解液に浸漬されている間にコア構造Cの容量を測定するために用いられ、容量が正常な範囲の容量に達したとき、該機能性電解液の注入が停止される。
11 入口
12 出口
20 センサーユニット
21 センサー
30A〜30D 機能性電解液保存槽
40 ポンプ
50 コントローラ
60 多流路制御弁
70 電力出力回路
80 容量測定回路
C コア構造
P 管路
Claims (16)
- 流体電解質を含む電池の再生方法であって、
電池のパッケージハウジングを取り除き、該電池のコア構造を露出させる工程と、
該コア構造を固体電解質界面膜の除去に適した機能性電解液に浸漬し、該機能性電解液を利用して活物質と電解液の間に形成された固体電解質界面を除去する工程と、
該コア構造を該機能性電解液に浸漬している間に該機能性電解液の特性パラメータを測定し、該特性パラメータが、機能性電解液の濃度と導電率を含む工程と、
測定して得られた特性パラメータに基づき、該機能性電解液の成分を調整し、該機能性電解液の特性パラメータが正常な該電池で使用される電解液の特性パラメータに合致したとき、該機能性電解液の成分調整を停止する工程と、
該コア構造を再度パッケージし、再生した電池とする工程と、
を含むことを特徴とする、流体電解質を含む電池の再生方法。 - 前記コア構造が、陰極、セパレーター、陽極、電極構造を含むことを特徴とする、請求項1に記載の流体電解質を含む電池の再生方法。
- 前記コア構造を該機能性電解液に浸漬する工程が、該機能性電解液の流動を保持する工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の流体電解質を含む電池の再生方法。
- 前記コア構造を該機能性電解液に浸漬する工程が、該コア構造に0V〜5Vの電圧を印加して、該固体電解質界面膜の除去に用いる工程を含むことを特徴とする、請求項1または3に記載の流体電解質を含む電池の再生方法。
- 前記コア構造を該機能性電解液に浸漬する間に該コア構造の容量を測定し、容量が正常範囲の容量に達したとき、該機能性電解液の成分調整を停止する工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の流体電解質を含む電池の再生方法。
- 測定で得られた特性パラメータに基づき、該機能性電解液の成分を調整する工程が、該機能性電解液中に該機能性電解液のイオン濃度を調整するために用いる他の機能性電解液及び(または)該機能性電解液に適した溶剤を添加する工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の流体電解質を含む電池の再生方法。
- 前記機能性電解液の濃度がリチウムイオン濃度を含むことを特徴とする、請求項1に記載の流体電解質を含む電池の再生方法。
- 前記機能性電解液の成分調整を停止した後、該機能性電解液を回収して保存し、次回の再生プロセスでの使用に供する工程を含むことを特徴とする、請求項1または5に記載の流体電解質を含む電池の再生方法。
- 前記機能性電解液の成分調整を停止した後、該コア構造が浸漬された該機能性電解液の特性パラメータを再度測定する工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の流体電解質を含む電池の再生方法。
- 請求項1に記載の流体電解質を含む電池の再生方法に使用する再生装置であって、容器と、センサーユニットと、複数の機能性電解液保存槽と、少なくとも1つのポンプ及びコントローラを含み、前記容器がパッケージハウジング除去済みの電池のコア構造を収容するために用いられ、前記機能性電解液保存槽にそれぞれ異なる機能性電解液が保存され、前記ポンプが管路を介して前記容器と機能性電解液保存槽に連接され、前記コントローラが前記センサーユニットとポンプに電気的に接続され、前記コントローラが前記ポンプを制御して異なる機能性電解液のうち固体電解質界面膜の除去に適した機能性電解液を容器に注入させて、前記コア構造を該機能性電解液中に浸漬させ、前記センサーユニットが複数のセンサーを含み、前記コア構造が機能性電解液に浸漬されている時、該センサーが前記容器中の機能性電解液の特性パラメータを測定し、前記コントローラが前記センサーによる測定で得られた特性パラメータに基づき前記ポンプを制御して、前記機能性電解液保存槽中のいずれか適した機能性電解液を前記容器に注入させ、該容器中の機能性電解液の特性パラメータが正常な電池で使用される電解液の特性パラメータに合致したとき、機能性電解液の注入を停止させることを特徴とする、流体電解質を含む電池の再生装置。
- 前記機能性電解液が、イオン濃度が異なる数種類の機能性電解液と、該機能性電解液に適した溶剤を含むことを特徴とする、請求項10に記載の流体電解質を含む電池の再生装置。
- 前記容器が入口と出口を備え、前記ポンプが管路を介して該容器の入口と機能性電解液保存槽に連接され、前記コントローラが該ポンプを制御して機能性電解液を入口から前記容器に注入させ、前記センサーユニットが管路を介して前記容器の出口に連接され、前記容器の出口から流出する機能性電解液の特性パラメータを測定するために用いられ、前記コントローラが前記センサーによる測定で得られた特性パラメータに基づき、前記ポンプを制御して前記機能性電解液保存槽中のいずれか適した機能性電解液を入口から前記容器に注入させることを特徴とする、請求項10に記載の流体電解質を含む電池の再生装置。
- 前記容器が入口と出口を備え、前記ポンプが多流路制御弁と管路を介して該容器の入口と前記機能性電解液保存槽に連接され、前記コントローラが前記ポンプと多流路制御弁を制御して機能性電解液を入口から前記容器に注入させ、前記センサーユニットが管路を介して前記容器の出口に連接され、該容器の出口から流出する機能性電解液の特性パラメータを測定するために用いられ、前記コントローラが前記センサーによる測定で得られた特性パラメータに基づき、前記ポンプと多流路制御弁を制御して前記機能性電解液保存槽中のいずれか適した機能性電解液を入口から前記容器に注入させることを特徴とする、請求項10に記載の流体電解質を含む電池の再生装置。
- 前記容器の出口が管路を介して前記多流路制御弁に連接され、前記容器中の機能性電解液の特性パラメータが正常な電池で使用される電解液の特性パラメータに合致したとき、前記コントローラが前記多流路制御弁を制御して前記容器の出口から排出された機能性電解液を前記機能性電解液保存槽のうちの1つに戻し、保存させることを特徴とする、請求項13に記載の流体電解質を含む電池の再生装置。
- パッケージハウジング除去済みの電池の前記コア構造に電気的に接続された電力出力回路を含み、パッケージハウジング除去済みの電池の前記コア構造に該電力出力回路が電圧を印加し、該電圧範囲が0V〜5Vの間であることを特徴とする、請求項10に記載の流体電解質を含む電池の再生装置。
- パッケージハウジング除去済みの電池のコア構造に電気的に接続された容量測定回路を含み、該容量測定回路がパッケージハウジング除去済みの電池のコア構造の容量を測定するために用いられ、該容量が正常な範囲の容量に達したとき、機能性電解液の注入が停止されることを特徴とする、請求項10に記載の流体電解質を含む電池の再生装置。
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