JP2021180098A - 再生材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電池の無害化処理において、固体担体を使用せずに、電解液からフッ素を分離すること。【解決手段】フッ素含有電解液を含む電池が準備される。電池が開封される。電池の開封後、低水分雰囲気下において、雰囲気圧力と、電池温度とが調整されることにより、フッ素含有電解液の気化成分が電池から放出する。気化成分が凝縮されることにより、液体成分が製造される。低水分雰囲気は０．０４ｖｏｌ％以下の水分濃度を有する。気化成分の放出時、雰囲気圧力は１ｋＰａ以下であり、かつ電池温度は１２０℃から１６０℃である。【選択図】図３
Description
本開示は、再生材料の製造方法に関する。
特開２０１５−０９２４６７号公報（特許文献１）は、フッ素含有電解液の処理方法を開示している。
不要になった電池は、無害化処理を経て、再資源化され得る。無害化処理においては、電池から電解液が分離されると共に、電池が放電される。これにより無害化電池が得られる。無害化電池からは、各種の有価金属が回収され得る。
例えば、リチウムイオン電池の電解液は、フッ素を含み得る。環境負荷の観点から、気体または液体のフッ素化合物を漏洩させずに、電解液からフッ素を分離することが求められる。
例えば、電解液の気化成分と、カルシウムとを接触させることにより、フッ化カルシウム（固体）を形成することが考えられる（例えば特許文献１参照）。これにより気化成分からフッ素が抽出される。カルシウムとの接触後、気化成分は液化される。これにより液体成分が回収される。液体成分は、例えば燃料等として使用され得る。
本開示の目的は、電池の無害化処理において、例えばカルシウム等の固体担体を使用せずに、電解液からフッ素を分離することである。
以下、本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし、本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否は、特許請求の範囲を限定しない。
本開示の再生材料の製造方法においては、下記手順により液体成分（再生材料）が製造される。
・フッ素含有電解液を含む電池を準備する。
・電池を開封する。
・電池の開封後、低水分雰囲気下において、雰囲気圧力と、電池温度とを調整することにより、フッ素含有電解液の気化成分を電池から放出させる。
・気化成分を凝縮することにより、液体成分を製造する。
低水分雰囲気は０．０４ｖｏｌ％以下の水分濃度を有する。気化成分の放出時、雰囲気圧力は１ｋＰａ以下であり、かつ電池温度は１２０℃から１６０℃である。
・フッ素含有電解液を含む電池を準備する。
・電池を開封する。
・電池の開封後、低水分雰囲気下において、雰囲気圧力と、電池温度とを調整することにより、フッ素含有電解液の気化成分を電池から放出させる。
・気化成分を凝縮することにより、液体成分を製造する。
低水分雰囲気は０．０４ｖｏｌ％以下の水分濃度を有する。気化成分の放出時、雰囲気圧力は１ｋＰａ以下であり、かつ電池温度は１２０℃から１６０℃である。
以下「フッ素含有電解液」が「電解液」と略記され得る。
本開示の新知見によると、低水分雰囲気中において、電池を開封し、雰囲気圧力と電池温度とを制御しながら、電解液を気化させることにより、フッ素化合物を実質的に含まない気化成分が発生することが期待される。メカニズムの詳細は不明ながら、電解液に含まれていたフッ素化合物は、電池内に閉じ込められ、気化成分と共に放出されないことが期待される。すなわち、本開示においては、カルシウム等の固体担体が使用されずに、電解液からフッ素が分離され得る。
本開示の新知見によると、低水分雰囲気中において、電池を開封し、雰囲気圧力と電池温度とを制御しながら、電解液を気化させることにより、フッ素化合物を実質的に含まない気化成分が発生することが期待される。メカニズムの詳細は不明ながら、電解液に含まれていたフッ素化合物は、電池内に閉じ込められ、気化成分と共に放出されないことが期待される。すなわち、本開示においては、カルシウム等の固体担体が使用されずに、電解液からフッ素が分離され得る。
ただし、電解液の気化時に特定条件が満たされることが求められる。すなわち、低水分雰囲気の水分濃度は０．０４ｖｏｌ％以下であり、雰囲気圧力は１ｋＰａ以下であり、かつ電池温度は１２０℃から１６０℃である。
例えば、水分濃度が０．０４ｖｏｌ％を超えると、フッ素化合物を含む気化成分が発生する可能性がある。例えば、電池温度が１６０℃を超えると、フッ素化合物を含む気化成分が発生する可能性がある。
なお、本開示の再生材料の製造方法においては、液体成分と共に、無害化電池も製造される。無害化電池からは、例えば、各種の有価金属が回収され得る。すなわち、無害化電池も再生材料である。
以下、本開示の実施形態（以下「本実施形態」とも記される。）が説明される。ただし、以下の説明は特許請求の範囲を限定しない。
本実施形態において、例えば「１２０℃から１６０℃」等の記載は、特に断りのない限り、境界値を含む範囲を示す。例えば「１２０℃から１６０℃」は、「１２０℃以上１６０℃以下」の範囲を示す。
＜再生材料の製造方法＞
図１は、本実施形態における再生材料の製造方法の概略フローチャートである。
本実施形態における再生材料の製造方法は、「（ａ）電池の準備」、「（ｂ）気化処理」および「（ｃ）凝縮処理」を含む。再生材料の製造方法は、例えば「（ｄ）有価金属の回収」等をさらに含んでいてもよい。
図１は、本実施形態における再生材料の製造方法の概略フローチャートである。
本実施形態における再生材料の製造方法は、「（ａ）電池の準備」、「（ｂ）気化処理」および「（ｃ）凝縮処理」を含む。再生材料の製造方法は、例えば「（ｄ）有価金属の回収」等をさらに含んでいてもよい。
《（ａ）電池の準備》
本実施形態における再生材料の製造方法は、電池を準備することを含む。電池は、フッ素含有電解液を含む。電池は、例えば、使用済み電池であってもよい。電池は、例えば、不良品であってもよい。
本実施形態における再生材料の製造方法は、電池を準備することを含む。電池は、フッ素含有電解液を含む。電池は、例えば、使用済み電池であってもよい。電池は、例えば、不良品であってもよい。
本実施形態における電池は、例えば、リチウムイオン電池等であってもよい。ただし、フッ素含有電解液を含む限り、任意の電池が処理対象となり得る。
フッ素含有電解液は、フッ素を含む。フッ素含有電解液は、例えば、支持電解質および溶媒を含む。例えば、支持電解質がフッ素を含んでいてもよい。支持電解質は、例えば、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＮ（ＳＯ2Ｆ）2、およびＬｉＮ(ＳＯ2ＣＦ3)2からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。例えば、溶媒がフッ素を含んでいてもよい。溶媒は、例えば、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）等を含んでいてもよい。
《（ｂ）気化処理》
本実施形態の再生材料の製造方法は、電池の開封後、低水分雰囲気下において、雰囲気圧力と、電池温度とを調整することにより、フッ素含有電解液の気化成分を電池から放出させることを含む。本実施形態においては、フッ素含有電解液の少なくとも一部が気化する。すなわち、実質的に全部のフッ素含有電解液が気化してもよい。一部のフッ素含有電解液が気化してもよい。
本実施形態の再生材料の製造方法は、電池の開封後、低水分雰囲気下において、雰囲気圧力と、電池温度とを調整することにより、フッ素含有電解液の気化成分を電池から放出させることを含む。本実施形態においては、フッ素含有電解液の少なくとも一部が気化する。すなわち、実質的に全部のフッ素含有電解液が気化してもよい。一部のフッ素含有電解液が気化してもよい。
図２は、本実施形態における気化処理を示す概略フローチャートである。
本実施形態における気化処理は、「（ｂ１）水分濃度の調整」、「（ｂ２）電池の開封」、「（ｂ３）電池温度の調整」および「（ｂ４）雰囲気圧力の調整」を含む。ただし、図２における処理順序は、一例に過ぎない。例えば、「（ｂ１）水分濃度の調整」と「（ｂ２）電池の開封」との順序は、逆であってもよい。例えば、「（ｂ３）電池温度の調整」と「（ｂ４）雰囲気圧力の調整」との順序は、逆であってもよい。例えば、「（ｂ３）電池温度の調整」と「（ｂ４）雰囲気圧力の調整」とは、実質的に同時に実施されてもよい。
本実施形態における気化処理は、「（ｂ１）水分濃度の調整」、「（ｂ２）電池の開封」、「（ｂ３）電池温度の調整」および「（ｂ４）雰囲気圧力の調整」を含む。ただし、図２における処理順序は、一例に過ぎない。例えば、「（ｂ１）水分濃度の調整」と「（ｂ２）電池の開封」との順序は、逆であってもよい。例えば、「（ｂ３）電池温度の調整」と「（ｂ４）雰囲気圧力の調整」との順序は、逆であってもよい。例えば、「（ｂ３）電池温度の調整」と「（ｂ４）雰囲気圧力の調整」とは、実質的に同時に実施されてもよい。
図３は、本実施形態における無害化処理装置の一例を示す概略図である。
無害化処理装置１００は、処理槽１０と、冷却器２０と、ポンプ３０とを備える。処理槽１０、冷却器２０およびポンプ３０は、ガス配管により接続されている。処理槽１０内に電池５が配置される。本実施形態の気化処理は、特定条件下で実施される。
無害化処理装置１００は、処理槽１０と、冷却器２０と、ポンプ３０とを備える。処理槽１０、冷却器２０およびポンプ３０は、ガス配管により接続されている。処理槽１０内に電池５が配置される。本実施形態の気化処理は、特定条件下で実施される。
処理槽１０内は低水分雰囲気を有する。雰囲気の水分濃度は、０．０４ｖｏｌ％以下に調整される。水分濃度は、例えば、０．０１ｖｏｌ％から０．０４ｖｏｌ％に調整されてもよい。水分濃度は、例えば、０．０１ｖｏｌ％以下に調整されてもよい。水分濃度は、例えば、静電容量式の水分濃度計等により測定され得る。
水分濃度は、任意の方法により調整され得る。例えば、処理槽１０内が真空引きされることにより、水分濃度が調整されてもよい。例えば、ガスフローにより、処理槽１０内がガス置換されてもよい。例えば、ドライエア、窒素ガス、アルゴンガス等により処理槽１０内がガス置換されてもよい。
電池５が開封される。例えば、電池５内の材料と水分との反応を低減するため、低水分雰囲気下で電池５が開封されてもよい。例えば、処理槽１０内に電池５が配置された後、雰囲気の水分濃度が調整され、水分濃度の調整後、電池５が開封されてもよい。
例えば、電池５の筐体に貫通孔が形成される。これにより電池５が開封される。貫通孔は、筐体の内外を連通する。気化成分の放出が可能である限り、貫通孔の大きさ、個数は、任意である。貫通孔は、例えば、１ｍｍから１０ｍｍの直径を有していてもよい。
電池５の開封後、電池５が加熱されることにより、電池温度が調整される。電池温度は、１２０℃から１６０℃に調整される。電池温度が高くなる程、処理時間の短縮が期待される。ただし電池温度が１６０℃を超えると、フッ素化合物を含む気化成分が発生する可能性がある。電池温度は、例えば、熱電対等により測定され得る。
さらに、処理槽１０内の雰囲気圧力が調整される。雰囲気圧力は、１ｋＰａ以下に調整される。雰囲気圧力が低くなる程、処理時間の短縮が期待される。雰囲気圧力は、例えば、０．１ｋＰａから１ｋＰａに調整されてもよい。雰囲気圧力は、例えば、０．１ｋＰａ以下に調整されてもよい。雰囲気圧力は、圧力計により測定され得る。
電池温度および雰囲気圧力の調整により、電解液の気化成分が発生する。気化成分は、電池５の貫通孔から放出される。本実施形態における気化成分は、フッ素化合物を実質的に含まないことが期待される。電解液に含まれていたフッ素化合物は、電池５（無害化電池）内に残留すると考えられる。
本実施形態において、気化処理の処理時間は任意である。例えば、無害化電池の電圧が０．５Ｖ以下になるように、処理時間が調整されてもよい。例えば、実質的に全部の電解液が気化するように、処理時間が調整されてもよい。
《（ｃ）凝縮処理》
本実施形態の再生材料の製造方法は、気化成分を凝縮することにより、液体成分を製造することを含む。
本実施形態の再生材料の製造方法は、気化成分を凝縮することにより、液体成分を製造することを含む。
電池５から放出した気化成分は、冷却器２０に供給される。冷却器２０においては、気化成分が冷却されることにより、液体成分が製造される。液体成分は再生材料である。液体成分は、フッ素フリーの有機化合物であり得る。液体成分は、例えば、燃料等として使用され得る。冷却温度が低い程、回収率の向上が期待される。冷却温度は、例えば、０℃以下であってもよい。
《（ｄ）有価金属の回収》
本実施形態の再生材料の製造方法は、無害化電池から有価金属を回収することを含んでいてもよい。本実施形態の再生材料の製造方法においては、無害化電池も製造される。無害化電池は、電解液を実質的に含んでいなくてもよい。無害化電池に、電解液が多少残存していてもよい。無害化電池は、例えば、外部短絡が起こってもスパークが発生しない程度に、電池機能が喪失している。
本実施形態の再生材料の製造方法は、無害化電池から有価金属を回収することを含んでいてもよい。本実施形態の再生材料の製造方法においては、無害化電池も製造される。無害化電池は、電解液を実質的に含んでいなくてもよい。無害化電池に、電解液が多少残存していてもよい。無害化電池は、例えば、外部短絡が起こってもスパークが発生しない程度に、電池機能が喪失している。
無害化電池も再生材料である。無害化電池からは、各種の有価金属が回収され得る。例えば、正極活物質からは、コバルト、ニッケル等が回収され得る。例えば、筐体からアルミニウム、鉄等が回収され得る。例えば、集電部品から、アルミニウム、銅等が回収され得る。回収された材料は、例えば、電池材料として再利用されてもよい。
回収処理は、例えば精錬炉等において実施され得る。無害化電池の電池機能が喪失していることにより、例えば、回収処理までの間に、無害化電池が発熱する等の不都合が回避され得る。
以下、本開示の実施例（以下「本実施例」とも記される。）が説明される。ただし、以下の説明は、特許請求の範囲を限定しない。
＜再生材料の製造＞
《Ｎｏ．１》
図３に示される無害化処理装置１００が準備された。処理槽１０は、４００Ｌの内容積を有していた。
《Ｎｏ．１》
図３に示される無害化処理装置１００が準備された。処理槽１０は、４００Ｌの内容積を有していた。
３個の電池５が準備された。電池５は、リチウムイオン電池（定格容量 ５Ａｈ）であった。リチウムイオン電池は、フッ素含有電解液を含んでいた。３個の電池５が処理槽１０内に配置された。
処理槽１０内がドライエアによりガス置換された。ガス置換後、雰囲気の水分濃度は０．０１ｖоｌ％であった。
ガス置換後、処理槽１０内において、電池５の筐体に貫通孔が形成された。貫通孔は、３ｍｍの直径を有していた。貫通孔の形成後、電池温度が２００℃に調整された。さらに雰囲気圧力が１ｋＰａに調整された。これにより、電解液の気化成分が発生した。気化成分は、冷却器２０に供給された。冷却器２０において気化成分が凝縮されることにより、液体成分が回収された。
《Ｎｏ．２からＮｏ．６》
下記表１に示されるように、雰囲気の水分濃度、電池温度、雰囲気圧力が変更されることを除いては、Ｎｏ．１と同様の処理が実施された。
下記表１に示されるように、雰囲気の水分濃度、電池温度、雰囲気圧力が変更されることを除いては、Ｎｏ．１と同様の処理が実施された。
＜評価＞
回収された液体成分のフッ素濃度が測定された。さらに、冷却器から排気された排気ガスのフッ素濃度も測定された。すなわち、排気ガスによりバブリングされた苛性ソーダ水において、フッ素濃度が測定された。結果は、下記表１に示される。下記表１中「ＮＤ」は、フッ素濃度が検出限界未満であることを示している。
回収された液体成分のフッ素濃度が測定された。さらに、冷却器から排気された排気ガスのフッ素濃度も測定された。すなわち、排気ガスによりバブリングされた苛性ソーダ水において、フッ素濃度が測定された。結果は、下記表１に示される。下記表１中「ＮＤ」は、フッ素濃度が検出限界未満であることを示している。
また、上記処理を経た電池５（無害化電池）の電圧も測定された。結果は下記表１に示される。
＜結果＞
上記表１に示されるように、雰囲気の水分濃度が０．０４ｖｏｌ％以下であり、雰囲気圧力が１ｋＰａ以下であり、かつ電池温度が１２０℃から１６０℃である製造例（Ｎｏ．２、３、５、６）においては、液体成分のフッ素濃度および排気ガスのフッ素濃度がいずれも検出限界未満である。これらの製造例においては、フッ素化合物を実質的に含まない気化成分が発生していると考えられる。
上記表１に示されるように、雰囲気の水分濃度が０．０４ｖｏｌ％以下であり、雰囲気圧力が１ｋＰａ以下であり、かつ電池温度が１２０℃から１６０℃である製造例（Ｎｏ．２、３、５、６）においては、液体成分のフッ素濃度および排気ガスのフッ素濃度がいずれも検出限界未満である。これらの製造例においては、フッ素化合物を実質的に含まない気化成分が発生していると考えられる。
Ｎｏ．１、３から６の無害化電池においては、電池電圧が０Ｖから０．５Ｖであり、電池機能が喪失していた。Ｎｏ．２においては、電池電圧が２．１Ｖであった。しかしＮｏ．２の条件においても、例えば、処理時間を長くすることにより、電池電圧を０．５Ｖ以下にすることも可能であると考えられる。
本実施形態および本実施例は、全ての点で例示である。本実施形態および本実施例は、制限的なものではない。例えば、本実施形態および本実施例から、任意の構成が抽出され、それらが任意に組み合わされることも、当初から予定されている。
特許請求の範囲の記載に基づいて定められる技術的範囲は、特許請求の範囲の記載と均等の意味における全ての変更を包含する。さらに、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる技術的範囲は、特許請求の範囲の記載と均等の範囲内における全ての変更も包含する。
５ 電池、１０ 処理槽、２０ 冷却器、３０ ポンプ、１００ 無害化処理装置。
Claims (1)
- フッ素含有電解液を含む電池を準備すること、
前記電池を開封すること、
前記電池の開封後、低水分雰囲気下において、雰囲気圧力と、電池温度とを調整することにより、前記フッ素含有電解液の気化成分を前記電池から放出させること、
および、
前記気化成分を凝縮することにより、液体成分を製造すること、
を含み、
前記低水分雰囲気は０．０４ｖｏｌ％以下の水分濃度を有し、
前記気化成分の放出時、前記雰囲気圧力は１ｋＰａ以下であり、かつ前記電池温度は１２０℃から１６０℃である、
再生材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2020084340A JP2021180098A (ja) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | 再生材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2020084340A JP2021180098A (ja) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | 再生材料の製造方法 |
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Country Status (1)
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