JP2021142475A

JP2021142475A - 廃リチウムイオン電池の処理装置及び処理方法

Info

Publication number: JP2021142475A
Application number: JP2020042308A
Authority: JP
Inventors: 充志中村; Mitsuji Nakamura; 健一本間; Kenichi Honma; 知久吉川; Tomohisa Yoshikawa
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2040-03-11
Also published as: JP7352499B2

Abstract

【課題】有価物を含む廃棄物から安全かつ効率的に当該有価物を回収する装置及び方法を提供する。【解決手段】廃リチウムイオン電池を導入する導入口、前記廃リチウムイオン電池を加熱処理する加熱領域、及び前記廃リチウムイオン電池を排出する排出口を有する熱処理炉と、前記導入口を水封するための導入口側水槽と、前記排出口を水封するための排出口側水槽とを備えた処理装置で、還元雰囲気下で上記廃リチウムイオン電池を熱処理する。【選択図】図１

Description

本発明は、廃リチウムイオン電池の処理装置及び処理方法、特に、廃リチウムイオン電池から安全かつ効率的に有価物を回収する装置及び方法に関する。

リチウムイオン電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両用の電源として用いられ、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、銅箔に黒鉛等を塗布した負極材、電解液、セパレーター等から構成されている。リチウムイオン電池には、アルミニウム、リチウム、コバルト、ニッケル、銅等の有価物が含まれているため、使用後廃棄されたリチウムイオン電池（以下、適宜「ＬＩＢ」と略称する場合がある。）からこれらを回収することは、資源の乏しいわが国にとって極めて重要である。

ＬＩＢから有価物を回収するために、焙焼、破砕又は粉砕、篩分け、選別等が行われている。

また、加熱処理に関しては資源回収、温度制御の観点から還元性雰囲気下、すなわち低酸素下での加熱処理が好ましいとされている。

特許文献１では、熱処理炉内を窒素やアルゴンガス等でガス置換して還元雰囲気とし、６７０℃〜１０８０℃で加熱処理を行って、集電体中のアルミニウムや銅を回収する方法が開示されている。また、特許文献２では、熱処理炉内を非酸化性雰囲気とし、４００℃〜６００℃で加熱処理して正極活物質中のコバルトを回収する方法が開示されている。

また、特許文献３では、回転炉を用い、炉内温度を３００℃〜６５０℃として、有用金属であるリチウム、コバルト、ニッケル、マンガン等を回収する方法が開示されている。さらに、特許文献４では、ローラーハースキルンを用いて還元雰囲気下、アルミニウム、リチウム、コバルト、ニッケル、銅等の有価物を回収する方法が開示されている。特許文献５では、排出コンベアを有している固定炉を用いて、炉内を２００℃〜６００℃に加熱し、アルミニウムや銅を回収する方法が開示されている。

特開２０１８−７８０２４号公報特開２０１７−１７４５１７号公報特開２０１６−２２３９５号公報特開２０１９−３４２５４号公報特開２０１８−１７２７２７号公報

しかしながら、特許文献１及び２の方法では固定炉を使用しており、バッチでの処理となるため処理効率が低下してしまうという問題がある。また、特許文献３及び４の方法では、連続処理が可能であるが、ＬＩＢを耐熱容器等の専用バスケットに充填して処理するため、別途ＬＩＢ充填・焙焼物回収の作業が必要となり、作業効率が低下してしまう。さらに、特許文献５の方法では、導入口及び排出口から外気（酸素）が炉内に侵入し、回収物の品位を低下させる恐れがあるとともに、電解液や樹脂等の有機物の燃焼による熱暴走が生じ、安定した加熱処理ができない恐れもある。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、廃リチウムイオン電池から安全かつ効率的に有価物を回収する装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、廃リチウムイオン電池を導入する導入口、前記廃リチウムイオン電池を加熱処理する加熱領域、及び前記廃リチウムイオン電池を排出する排出口を有する熱処理炉と、前記導入口を水封するための導入口側水槽と、前記排出口を水封するための排出口側水槽と、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に関する。

また、本発明は、熱処理炉の、廃リチウムイオン電池を導入する導入口を導入口側水槽で水封するステップと、前記熱処理炉の、前記廃リチウムイオン電池を排出する排出口を排出口側水槽で水封するステップと、前記廃リチウムイオン電池を、前記熱処理炉の加熱領域において還元雰囲気下で熱処理するステップと、を含むことを特徴とする、廃リチウムイオン電池の処理方法に関する。

本発明によれば、熱処理炉の入口、すなわち廃リチウムイオン電池を導入する導入口、及び、熱処理炉の出口、すなわち廃リチウムイオン電池を排出する排出口に水槽を配設し、当該水槽で熱処理炉の導入口及び排出口を水封するようにしている。したがって、熱処理炉内に外気（酸素）が侵入することがないので、ＬＩＢからの回収物が酸化してしまい、品位低下してしまうことがない。また、電解液や樹脂等の有機物の燃焼に伴う熱暴走を生じることがない。結果として、廃リチウムイオン電池から安全に有価物を回収することができる。

なお、本発明における“還元雰囲気”とは、雰囲気中の酸素濃度が１１体積％以下、好ましくは５体積％以下の場合を意味する。

本発明の一態様において、導入側水槽には電解質を含む水溶液を貯留し、排出口側水槽には水を貯留しておくことができる。この場合、ＬＩＢを熱処理炉内に導入する以前に、導入側水槽でＬＩＢの電気エネルギーを取り除くことができ、炉内での放電を抑制してリチウムの発火を防止し、安定した処理が可能となる。また、ＬＩＢの焙焼物を炉内から取り出す際に、排出口水槽で焙焼物に付着した電解質を除去し、後の有価物中に電解質が混入するのを抑制することができる。

本発明の一態様において、加熱領域は、廃リチウムイオン電池の電解液を揮発させるための第１加熱領域と、廃リチウムイオン電池のバインダーの分解及び廃リチウムイオン電池の樹脂部分の脆化するための第２加熱領域と、を含むことができる。この場合、電解液のみを独立に揮発させることができるので、電解液が急激に気化してＬＩＢが破裂してしまう危険性を回避することができる。また、バインダーのみを独立に分解除去することができるので、後のステップにおいて、有価物の回収を簡易に行うことができる。

本発明の一態様において、熱処理炉は、トンネルキルン又はローラーハースキルンとすることができる。この場合、上述のように、連続した作業が可能となるとともに、逐次、炉内を窒素ガス等で置換する必要がないので、廃リチウムイオン電池から効率的に有価物を回収することができる。

本発明の一態様において、熱処理炉はトンネルキルンであって、導入口側水槽及び排出口側水槽は、トンネルキルン内を搬送させるコンベアの導入口側及び排出口側を重力方向に沿って湾曲させた凹部から構成することができる。この場合、別途水槽を用いることなく、コンベア自体を水槽として用い、熱処理炉を水封することができるので、装置構成を簡易化することができる。

以上説明したように、本発明によれば、廃リチウムイオン電池から安全かつ効率的に有価物を回収する装置及び方法を提供することができる。

本発明の実施形態における廃リチウムイオン電池の処理装置の概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の詳細及びその他の特徴について説明する。

図１は、本実施形態の廃リチウムイオン電池の処理装置の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態の廃リチウムイオン電池の処理装置１０は、熱処理炉１１を有する。熱処理炉１１はトンネルキルンであって、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４等）で作製されており、その内壁面は図示しない耐火材で覆われている。熱処理炉１１をトンネルキルンとすることによって、連続した作業が可能となるとともに、以下に説明するように、逐次、炉内を窒素ガス等で置換する必要がない。結果として、ＬＩＢから効率的に有価物を回収することができる。

また、熱処理炉１１は、第１加熱領域Ａ、第２加熱領域Ｂ及び冷却領域Ｃに分割されている。第１加熱処理Ａには上下に一対の第１ヒータ１２が配設されており、ＬＩＢの電解液を揮発させるように構成されている。また、第２加熱領域Ｂには上下に一対の第２ヒータ１３が配設されており、ＬＩＢのバインダーを分解除去すると共に、樹脂部分を脆化するように構成されている。

なお、冷却領域Ｃには特にヒータは配設されていないが、急速冷却に伴う応力に起因した有価物の剥離等を防止するために適当なヒータを配設してもよい。

熱処理炉１１がトンネルキルンであることに伴って、熱処理炉１１内には、その導入口１１Ａから排出口１１Ｂにかけて延在するようにしてコンベア１６が配設されている。

コンベア１６は、熱処理炉１１の各領域に対応して分割されており、熱処理炉１１の第１加熱領域Ａに対応した第１コンベア１６１と、熱処理炉１１の第２加熱領域Ｂに対応した第２コンベア１６２と、熱処理炉１１の冷却領域Ｃに対応した第３コンベア１６３とを有している。また、熱処理炉１１の導入口１１Ａ側において、重力方向に沿って凹部状に湾曲した第４コンベア１６４、及び熱処理炉１１の排出口１１Ｂ側において、重力方向に沿って凹部状に湾曲した第５コンベア１６５を有している。

第１コンベア１６１、第２コンベア１６２、第３コンベア１６３、第４コンベア１６４及び第５コンベア１６５は、それぞれ独立に一対のローラ２１、２２、２３、２４及び２５で図中矢印の方向に移動するように回転駆動されている。

第４コンベア１６４内には、その湾曲した凹部内に電解質を含む水溶液が充填されており、第５コンベア１６５内には、その湾曲した凹部内に水が充填されている。なお、上記電解質としては汎用のものを用いることができ、例えば塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウムを挙げることができる。なお、これらの電解質を含む水溶液の電気伝導率は５００〜５０００ｍＳ／ｃｍであることが好ましい。

また、第４コンベア１６４内に充填された水溶液内には、熱処理炉１１の導入口１１Ａ側の壁面端部が浸漬しており、当該導入口を水封している。さらに、第５コンベア１６５内に充填された水内には熱処理炉１１の排出口１１Ｂ側の壁面端部が浸漬しており、当該排出口を水封している。この結果、熱処理炉１１の全体が水封されて外気より遮断された状態を保持することができる。

したがって、熱処理炉１１内に外気（酸素）が侵入することがないので、ＬＩＢからの回収物が酸化してしまい、品位低下してしまうことがない。また、電解液や樹脂等の有機物の燃焼に伴う熱暴走を生じることがない。結果として、ＬＩＢから安全に有価物を回収することができる。

なお、第４コンベア１６４及び第５コンベア１６５が熱処理炉１１内に侵入あるいは排出される際には、これらコンベアが熱処理炉１１の壁面と接触しないように、厳密には、熱処理炉１１の導入口１１Ａ及び熱処理炉１１の排出口１１Ｂの一部にクリアランスが形成されているが、以下に説明するＬＩＢの処理には影響を与えない。

次に、図１に示す廃リチウムイオン電池の処理装置１０を用いたＬＩＢの処理方法について説明する。

最初に、図示しない給気口から窒素ガス等の不活性ガスを熱処理炉１１内に導入するとともに、図示しない排気口から熱処理炉１１内の空気（酸素）を外部に排出して熱処理炉１１内部を還元雰囲気とする。このとき、熱処理炉１１は、第４コンベア１６４に貯留された水溶液及び第５コンベア１６５に貯留された水で水封されているので、熱処理炉１１内の還元雰囲気は、処理中保持されることになる。

なお、還元雰囲気とは、熱処理炉１１中の酸素濃度が１１体積％以下、好ましくは５体積％以下の場合を意味する。

次いで、処理に供するＬＩＢを第４コンベア１６４に載せて、熱処理炉１１内に導入する。このとき、第４コンベア１６４には電解質を含む水溶液が貯留されているので、ＬＩＢは放電し、内部の電気エネルギーを放出する。したがって、熱処理炉１１内での放電を抑制して、安定した処理が可能となる。

次いで、第４コンベア１６４で熱処理炉１１内に導入されたＬＩＢは、第１加熱領域Ａにおいて、例えば１００℃〜２５０℃、１〜２時間の滞留時間で加熱処理する。すると、ＬＩＢ中の電解液が揮発して除去される。なお、滞留時間は、第１コンベア１６１の駆動速度を適宜制御することによって設定する。

また、１００℃〜２５０℃であれば、電解液の急激な揮発を防止することができ、ＬＩＢが膨張して破裂する危険性がない。さらに、電解液の急激な揮発を防止すべく、上記温度範囲内への昇温は５℃／分以下で行うことが好ましい。

次いで、ＬＩＢは第１コンベア１６１によって第１加熱領域Ａから第２加熱領域Ｂに移動させる。このとき、第２加熱領域Ｂでは、例えば３００℃〜６５０℃の温度で、１〜２時間加熱（焙焼）処理する。すると、ＬＩＢ中のアルミニウム箔あるいは銅箔（集電体）と黒煙（活物質）とを接着させているバインダーが分解すると共に、樹脂部分が脆化する。滞留時間は、上記同様に、第２コンベア１６２の駆動速度を適宜制御することによって設定する。

なお、下限値である３００℃はバインダーが分解する最低温度であり、上限値である６５０℃はアルミニウムが溶融しない最高温度（アルミニウムの融点）である。

また、熱処理炉１１内は還元雰囲気になっており、ＬＩＢ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アルミニウム、リチウム、コバルト、ニッケル、銅等の有用金属が含まれる材料から分離された状態となっている。

また、ＬＩＢの電解液が揮発して生じたガスは、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、図示しない排出口から熱処理炉１１外に排出される。これらのガスは可燃性ガスであり、熱源として取り出して再利用することができる。

次いで、ＬＩＢの焙焼物は、第２コンベア１６２で冷却領域Ｃに移動し、ここで１〜２時間滞留させた後、熱処理炉１１外に排出する。ここでも滞留時間は、第３コンベア１６３の駆動速度を適宜制御することによって設定する。

ＬＩＢの焙焼物を熱処理炉１１外に排出するには、第５コンベア１６５によって行うが、その際に、上記焙焼物は第５コンベア１６５に貯留された水中を通過する。このとき、水中で焙焼物に付着した電解質が除去されるので、後に回収する有価物中に電解質が混入するのを抑制することができる。

水中を通過した後に焙焼物は適宜乾燥処理を行って回収し、有価物回収装置に供される。なお、この乾燥には、上記した可燃性ガスを用いることができる。

有価物回収装置では、回収した焙焼物の破砕、篩分け、選別、回収等の汎用の操作が行われる。

以上説明したように、本実施形態の廃リチウムイオン電池の処理装置１０によれば、廃リチウムイオン電池から安全かつ効率的に有価物を回収することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態では、第４コンベア１６４を重力方向に沿って凹部状に湾曲させ、当該凹部内に電解質を含む水溶液を貯留し、第５コンベア１６５を重力方向に沿って凹部状に湾曲させ、当該凹部内に水を貯留して、これら第４コンベア１６４及び第５コンベア１６５で熱処理炉１１を水封するようにしている。しかしながら、別途水溶液が貯留された第１槽、及び水が貯留された第２槽を準備し、これら槽内の水溶液及び水で熱処理炉１１を水封するようにしてもよい。

このとき、第４コンベア１６４及び第５コンベア１６５は、第１コンベア１６１等と同様にリニアかつ平面状の汎用の形態とすることができる。但し、上述した目的を達成すべく、第４コンベア１６４は第１槽に浸漬させて、ＬＩＢを放電させ、第５コンベア１６５は第２槽に浸漬させて、付着した電解質を除去する。

なお、上記実施形態のように、第４コンベア１６４を重力方向に沿って凹部状に湾曲させ、当該凹部内に電解質を含む水溶液を貯留し、第５コンベア１６５を重力方向に沿って凹部状に湾曲させ、当該凹部内に水を貯留するようにすることによって、装置構成を簡易化することができる。

また、上記実施形態では、第４コンベア１６４の凹部内に電解質を含む水溶液を貯留させているが、電解質を含まない通常の水を貯留させてもよい。この場合においても、水が極性を有するので、多少の放電処理を行うことができ、上述した作用効果を奏することができる。

さらに、上記実施形態では、熱処理炉１１をトンネルキルンとしたが、ローラーハースキルンとすることもできる。この場合も、連続した作業が可能となるとともに、逐次、炉内を窒素ガス等で置換する必要がないので、ＬＩＢから効率的に有価物を回収することができる。

また、上記実施形態では、コンベア１６を領域毎に５つのコンベアに分割しているが、連続した１つのコンベアとすることもできる。このとき、第１加熱領域Ａ等における加熱制御は、第１ヒータ１２等を制御することによって行う。

１０廃リチウムイオン電池の処理装置
１１熱処理炉
１１Ａ熱処理炉の導入口
１１Ｂ熱処理炉の排出口
１２第１ヒータ
１３第２ヒータ
１６コンベア
１６１第１コンベア
１６２第２コンベア
１６３第３コンベア
１６４第４コンベア
１６５第５コンベア
２１，２２，２３，２４，２５ローラ
Ｗ水、水溶液

Claims

廃リチウムイオン電池を導入する導入口、前記廃リチウムイオン電池を加熱処理する加熱領域、及び前記廃リチウムイオン電池を排出する排出口を有する熱処理炉と、
前記導入口を水封するための導入口側水槽と、
前記排出口を水封するための排出口側水槽と、
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。
前記導入側水槽には電解質を含む水溶液が貯留されており、前記排出口側水槽には水が貯留されてい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。
前記加熱領域は、前記廃リチウムイオン電池の電解液を揮発させるための第１加熱領域と、前記廃リチウムイオン電池のバインダーを分解するための第２加熱領域と、を含むことを特徴とする、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。
前記熱処理炉は、トンネルキルン又はローラーハースキルンであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の廃リチウムイオン電池の処理装置。
前記熱処理炉はトンネルキルンであって、前記導入口側水槽及び前記排出口側水槽は、前記トンネルキルン内を搬送させるコンベアの導入口側及び排出口側を重力方向に沿って湾曲させた凹部から構成することを特徴とする、請求項４に記載の廃リチウムイオン電池の処理装置。
熱処理炉の、廃リチウムイオン電池を導入する導入口を導入口側水槽で水封するステップと、
前記熱処理炉の、前記廃リチウムイオン電池を排出する排出口を排出口側水槽で水封するステップと、
前記廃リチウムイオン電池を、前記熱処理炉の加熱領域において還元雰囲気下で熱処理するステップと、
を含むことを特徴とする、廃リチウムイオン電池の処理方法。