JP2020049459A

JP2020049459A - 廃リチウムイオン電池の処理装置及び処理方法

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Publication number: JP2020049459A
Application number: JP2018183335A
Authority: JP
Inventors: 充志中村; Mitsuji Nakamura; 市村　高央; Takahisa Ichimura; 高央市村; 泰之石田; Yasuyuki Ishida
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: JP7179559B2

Abstract

【課題】安全かつ効率的に廃リチウムイオン電池を処理する。【解決手段】廃リチウムイオン電池を収容する耐熱容器と２、耐熱容器を加熱する熱処理炉３と、熱処理炉に耐熱容器を投入及び排出する容器搬送装置４と、容器搬送装置によって熱処理炉から排出された耐熱容器に冷却水を噴霧して冷却する冷却装置３１とを備える廃リチウムイオン電池の処理装置１。冷却装置内が負圧になるように制御する圧力制御装置を備えてもよく、冷却装置の排ガスをセメントキルンの排ガス処理系統に供給する排ガス処理装置を備えてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の電源として使用された廃リチウムイオン電池の処理装置及び処理方法に関する。

リチウムイオン電池は、アルミ箔にリチウム、コバルト、ニッケル等を塗布した正極材と、銅箔に黒鉛等を塗布した負極材と、電解液と、セパレーター等で構成される。リチウムイオン電池は、リチウム、コバルト、ニッケル、銅、アルミニウム等の有価物を含むため、廃棄されたリチウム電池からこれらの有価物を回収することは、資源に乏しいわが国にとって極めて有益である。そこで、廃リチウムイオン電池から上記有価物を回収するため、焙焼、破砕又は粉砕、篩分け、選別等による分離回収が行われている。

しかし、リチウムイオン電池の電解液には、電解質となるフッ素化合物（ＬｉＰＦ₆等）が含まれており、ＬｉＰＦ₆は水と反応すると加水分解して有毒なフッ化水素を発生する。そこで、廃リチウムイオン電池を処理する際に、特許文献１には、揮発性のフッ素化合物（ＬｉＰＦ₆等）等を安全に処理するため、フッ素化合物を含む電解液の揮発成分を減圧下で加熱して気化させる気化工程、気化したガスに含まれるフッ素成分をカルシウムと反応させてフッ化カルシウムとして固定するフッ素固定工程等を備えるフッ素含有電解液の処理方法が記載されている。

一方、特許文献２には、複数個のリチウムイオン電池セルが配列された電池モジュールが箱型筺体内に複数収納されてなる電池パックを排気口が設けられた耐熱容器に格納した後、耐熱容器を熱処理炉に投入して耐熱容器をその外側からアルミニウムの融点よりも低い温度で加熱することで、耐熱容器部の電池パックを乾留して炭化混合物を分離すると共に、電池内の電解液を揮発化して耐熱容器の排気口から熱処理炉内に排出させることで、極めて簡易な作業で廃リチウムイオン電池をリサイクル処理する方法が開示されている。

特開２０１３−２２９３２６号公報特開２０１６−２２３９５号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２に記載の技術で加熱処理を行った後、大気下で自然冷却を行うと、加熱した廃リチウムイオン電池からはフッ化水素、塩化水素等を含む有害なガスが発生する可能性があるため安全面で課題が残る。また、自然冷却に長時間を要するため、効率的な処理の妨げになっていた。

そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、安全かつ効率的に廃リチウムイオン電池を処理することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、廃リチウムイオン電池の処理装置であって、廃リチウムイオン電池を収容する耐熱容器と、該耐熱容器を加熱する熱処理炉と、該熱処理炉に前記耐熱容器を投入及び排出する容器搬送装置と、該容器搬送装置によって前記熱処理炉から排出された耐熱容器に冷却水を噴霧して冷却する冷却装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、熱処理炉から排出された耐熱容器に冷却装置で冷却水を噴霧して熱処理後の廃リチウムイオン電池を短時間で冷却することができ、効率的に廃リチウムイオン電池を処理することができる。

上記廃リチウムイオン電池の処理装置において、前記冷却装置内が負圧になるように制御する圧力制御装置を備えることができ、これによって、フッ化水素、塩化水素等を含む有害ガスが冷却装置から放出されるのを防止することができる。

また、前記冷却装置の排ガスをセメントキルンの排ガス処理系統に供給する排ガス処理装置を備えることができ、これによって、フッ化水素、塩化水素等を含む有害ガスをセメント製造工程内のセメント原料に固定化して無害化することができる。

さらに、本発明は、廃リチウムイオン電池の処理方法であって、廃リチウムイオン電池を収容した耐熱容器を加熱し、加熱後の耐熱容器に冷却水を噴霧して冷却することを特徴とする。本発明によれば、加熱後の耐熱容器に冷却水を噴霧して熱処理後の廃リチウムイオン電池を短時間で冷却することができ、効率的に廃リチウムイオン電池を処理することができる。

以上のように、本発明によれば、安全かつ効率的に廃リチウムイオン電池を処理することができる。

本発明に係る廃リチウムイオン電池の処理装置の一実施の形態を示す全体横断面図である。本発明に係る廃リチウムイオン電池の処理装置の一実施の形態を示す全体縦断面図である。図２のＡ矢視図であって、冷却装置及びその近傍を示す概略図である。本発明に係る廃リチウムイオン電池の処理装置で用いる耐熱容器を示す縦断面図である。熱処理炉に投入される直前の耐熱容器を示す横断面図である。熱処理炉に投入される直前の耐熱容器を示す縦断面図である。熱処理炉への耐熱容器の投入動作を説明するための概略図である。熱処理炉への耐熱容器の投入・排出動作を説明するための概略図である。熱処理炉への耐熱容器の投入・排出動作を説明するための概略図である。冷却装置及び熱処理炉への耐熱容器の投入・排出動作を説明するための概略図である。冷却装置からの耐熱容器の排出動作を説明するための概略図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、本発明に係る廃リチウムイオン電池の処理装置１は、複数個のリチウムイオン電池セルが配列された電池モジュールが箱型筐体内に複数収納された電池パック５０に加熱処理を施して有用金属を回収するものであって、主に電池パック５０を格納する複数の耐熱容器２と、熱処理炉３と、熱処理炉３に耐熱容器２を投入及び排出する容器搬送装置４と、熱処理後の耐熱容器２を冷却する冷却装置３１等を備える。

耐熱容器２は、図４〜図６に示すように、容器本体２Ａと蓋２Ｂとで構成され、少なくとも６５０℃の耐熱温度を有する。

容器本体２Ａは、上方に開口して円筒状に形成された内筒２ａと、内筒２ａよりも大径で内筒２ａを囲繞するように配置された外筒２ｂと、内筒２ａ及び外筒２ｂの底面に配置された複数の車輪２ｃと、外筒２ｂの周面２ｄに固定された２本の取っ手２ｅと、外筒２ｂの周面２ｄから突出するハンガー２ｆとで構成される。

一方、蓋２Ｂは、下方に開口する円筒状に形成された本体２ｎと、本体２ｎの周面に開口して斜め上方に突出する排気管２ｇと、本体２ｎの天井面２ｈに設けられた取っ手２ｍとで構成される。

図１及び図２に示すように、熱処理炉３は円筒状の縦型炉であり、４本のガスバーナー８（８Ａ〜８Ｄ）によって加熱される。ガスバーナー８の近傍にはノズル１１（１１Ａ〜１１Ｄ）が設けられ、ファン（不図示）を介して送られる、燃焼用及び冷却用の空気Ａが炉内に供給される。熱処理炉３の炉床１７は、電動モータ（不図示）を備えた炉床回転装置１９によって鉛直軸回りに回転し、位置決めセンサ（不図示）によって所定の位置に位置決めされる。排気管２８の下流側には二次燃焼室、排気用の煙突等が設けられる

熱処理炉３の炉壁７の一部には、上下に開閉式の炉体扉７ｂで外部と仕切られた開口部７ａが形成される。開口部７ａに対向する位置に、開口部７ａから熱処理炉３内に耐熱容器２を投入すると共に、熱処理炉３内を一周した後の耐熱容器２を熱処理炉３から排出する容器搬送装置４が設けられる。

容器搬送装置４は、図１、図２及び図６に示すように、熱処理炉３の開口部７ａと熱処理炉３の中心を結ぶ線上の方向（図１では左右方向）に延びると共に、モーター１８の正回転によって耐熱容器２に当接して耐熱容器２を熱処理炉３内に押し入れるプッシャー部４ａと、耐熱容器２の容器本体２Ａの外周に設けられたハンガー２ｆを係止する爪４ｃが先端に設けられ、モーター１８の負回転によって耐熱容器２を熱処理炉３内から引っ張り出すプルアウト部４ｂを備えている。プッシャー部４ａはプルアウト部４ｂの真上に配置される。

開閉式の炉体扉７ｂに隣接して（図１において左方）には炉前室２３が設けられ、炉前室２３に隣接して（図３において右方）に冷却装置３１が設けられる。熱処理炉３の接線方向（図１では上下方向）に搬送装置２９によって移動自在のスライドベース２１が設置され、スライドベース２１は、図３において、炉前室２３の左方空間と、開閉式の扉２４、２５を隔て炉前室２３及び冷却装置３１の間を移動可能に構成される。

冷却装置３１は、開閉式の扉２５を隔てて炉前室２３に隣接し、内部には、熱処理炉３から排出された耐熱容器２に冷却水を噴霧するための噴霧装置３１ａ〜３１ｃを備える。噴霧装置３１ａは耐熱容器２の天井部に冷却水を噴霧し、噴霧装置３１ｂ、３１ｃは耐熱容器２の側面に冷却水を噴霧する。また、噴霧した後の水を回収するための排水口３１ｄが冷却装置３１の底面に穿設される。

また、冷却装置３１の内部が負圧になるように制御する圧力制御装置が設けられ、圧力制御装置は、冷却装置３１の内部の圧力を測定する圧力計と、冷却装置３１の排ガスを吸引する吸引装置と、前記圧力計の測定値が負圧になるように吸引装置を制御するコントローラ等を備える。さらに、冷却装置３１の排ガスをセメントキルンの排ガス処理系統に供給する排ガス処理装置（不図示）が設けられる。

次に、上記構成を有する廃リチウムイオン電池の処理装置１を用いた廃リチウムイオン電池の処理方法について説明する。尚、以下の説明では、処理装置１によってハイブリッド自動車や電気自動車等から取外されたままの電池パック５０を処理する場合を例示する。

熱処理炉３の内部の温度を６５０℃に昇温し、クレーン等（不図示）を使用して、図７に示すように、電池パック５０を格納した耐熱容器２Ｎをスライドベース２１の右端部に載置する。扉２４を開放した後、搬送装置２９を介してスライドベース２１を右方に移動させ、耐熱容器２を炉体扉７ｂの正面まで移動させた後、扉２４を閉じて炉体扉７ｂを開放し、容器搬送装置４のプッシャー部４ａを前進させて耐熱容器２Ｎを熱処理炉３内に投入する。これにより、耐熱容器２Ｎは熱処理炉３の炉床１７上、図１では９時の位置に載置される。

容器搬送装置４のプッシャー部４ａを後退させた後、炉体扉７ｂを閉鎖し、炉床回転装置１９を介して炉床１７を４５゜左回転させる。この４５゜の回転は、特に限定されるものではないが、例えば、３７．５分毎に炉床１７を４５゜ずつ回転させることで、５時間で炉床１７が１回転するように設定している。

上記動作を７回繰り返すことで、熱処理炉３の炉床１７上には、図１に示したように、隣接する耐熱容器２が一定の間隔を開けた状態で８個の耐熱容器２が環状に載置される。

上記動作の間、耐熱容器２は熱処理炉３内で１周する間に外側から加熱されることで、耐熱容器２内は還元雰囲気となり、耐熱容器２に格納された電池パック５０の樹脂製の筐体等のプラスチック類は乾留により炭化混合物としてリチウム、コバルト、ニッケル、マンガン等の有用金属が含まれた材料から分離された状態となっている。尚、耐熱容器２はアルミニウムの融点（６６０℃）よりも低い温度（６５０℃）で加熱されるので電池パック５０内で使用されたアルミニウム成分が溶け出すことはない。また、電池内の電解液は揮発し、プラスチック等の可燃性物質が熱分解することによって発生したガスと共に、耐熱容器２の排気管２ｇから熱処理炉３内に排出される。熱処理炉３内の未燃焼ガスは二次燃焼室に導かれ、熱処理炉３の温度（６５０℃）よりも高い温度（８００℃）で燃焼する。

耐熱容器２が熱処理炉３内で１周する前に、図８に示すように、電池パック５０を格納した新たな耐熱容器２Ｎを左端部に載置したスライドベース２１の右半分を炉前室２３に挿入する。この際、扉２４は閉じられている。

耐熱容器２が熱処理炉３内で１周すると、炉体扉７ｂを開放して容器搬送装置４のプルアウト部４ｂを耐熱容器２の位置まで前進させ、図６に示すように、プルアウト部４ｂ先端に設けられた爪４ｃを、耐熱容器２に設けられたハンガー２ｆに係止させる。そして、プルアウト部４ｂを後退させ、図９に示すように、熱処理後の耐熱容器２Ｔを熱処理炉３から引き出してスライドベース２１上に載置し、炉体扉７ｂを閉鎖する。

次に、扉２４、２５を開放した後、スライドベース２１を右方に移動し、電池パック５０を格納した新たな耐熱容器２Ｎを炉体扉７ｂの正面まで移動させると共に、熱処理済みの耐熱容器２Ｔを冷却装置３１に移動させて扉２４、２５を閉じる。この状態を図１０に示す。

図１０の状態から、新たな耐熱容器２Ｎを上述の要領で熱処理炉３内に投入して加熱すると共に、熱処理済みの耐熱容器２Ｔを冷却装置３１で冷却する。冷却装置３１において、噴霧装置３１ａによって耐熱容器２Ｔの天井部に冷却水を噴霧し、噴霧装置３１ｂ、３１ｃによって耐熱容器２Ｔの側面に冷却水を噴霧する。噴霧した後の水は、排水口３１ｄから回収する。従来の自然冷却では６５０℃程度まで加熱した電池パック５０を１５０℃程度まで冷却するのに６時間程度を要したが、この冷却水の噴霧による冷却により、１時間程度、すなわち従来の１／６程度で冷却工程が完了する。また、電池パック重量や加熱温度が変化した場合でも、水の噴霧量を調整することで冷却工程を短縮することが可能である。

次に、扉２４、２５を開放した後、冷却済みの耐熱容器２Ｃが載置されたスライドベース２１を左方に移動させ、クレーン等で次工程へ搬送する。

冷却後の加熱処理済みの耐熱容器２Ｃは、内部の電池パック５０を破砕、分級して炭化混合物を取り除いた後、リチウム、コバルト、ニッケル、マンガン等の有用金属をさらに分離する処理が行われる。また、電池パック５０の破砕物を磁選機にかけて、鉄筐体、ねじ等の磁着物と、銅とアルミニウムからなるミックメタルに分離し、ミックメタルを比重選別してアルミ塊及び銅塊と、銅箔及びアルミ箔の積層物とに分けた後、選別機でさらに銅箔とアルミ箔とに分けることができる。

また、冷却装置３１からのフッ化水素、塩化水素等を含む有害ガスは、排ガス処理装置によってセメントキルンの排ガス処理系統に供給し、セメント製造工程内のセメント原料に固定化して無害化する。

尚、熱処理炉３は、炉床１７が回転するものでなくてもよく、バッチ式のものでも適用可能である。また、熱源として電気や重油を使用した各種炉を使用することもでき、既存の製造設備、例えば、セメント焼成装置からの排ガスを熱源として用いてもよい。

また、本実施の形態では、電池パック５０を電池セルを個々に取外すことなくそのままの状態のものに対して加熱処理したが、電池パック５０から分解した電池モジュール単位のものや、電池セルを個々に取外したものを格納した耐熱容器２を熱処理炉３に投入して加熱処理してもよい。

１廃リチウムイオン電池の処理装置
２耐熱容器
３熱処理炉
４容器搬送装置
７炉壁
８（８Ａ〜８Ｄ）ガスバーナー
１１（１１Ａ〜１１Ｄ）ノズル
１７炉床
１８モーター
１９炉床回転装置
２１スライドベース
２３炉前室
２４、２５扉
２９搬送装置
３１冷却装置
５０電池パック

Claims

廃リチウムイオン電池を収容する耐熱容器と、
該耐熱容器を加熱する熱処理炉と、
該熱処理炉に前記耐熱容器を投入及び排出する容器搬送装置と、
該容器搬送装置によって前記熱処理炉から排出された耐熱容器に冷却水を噴霧して冷却する冷却装置とを備えることを特徴とする廃リチウムイオン電池の処理装置。
前記冷却装置内が負圧になるように制御する圧力制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の廃リチウムイオン電池の処理装置。
前記冷却装置の排ガスをセメントキルンの排ガス処理系統に供給する排ガス処理装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の廃リチウムイオン電池の処理装置。
廃リチウムイオン電池を収容した耐熱容器を加熱し、
加熱後の耐熱容器に冷却水を噴霧して冷却することを特徴とする廃リチウムイオン電池の処理方法。