JP2024053446A - Metal recovery method - Google Patents
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Abstract
Description
この明細書は、金属回収方法を開示するものである。 This specification discloses a method for recovering metals.
近年は、製品寿命もしくは製造不良その他の理由より廃棄されたリチウムイオン二次電池の廃棄物から、そこに含まれ得るコバルトやニッケル等の有価金属を湿式処理により回収することが、資源の有効活用の観点から広く検討されている。 In recent years, from the perspective of effective resource utilization, there has been widespread consideration of using wet processing to recover valuable metals such as cobalt and nickel that may be contained in waste lithium-ion secondary batteries that have been discarded due to product life, manufacturing defects, or other reasons.
リチウムイオン電池廃棄物から有価金属を回収するプロセスでは、たとえば、リチウムイオン電池廃棄物に対して焙焼等の前処理を行った後の電池粉を酸で浸出させ、電池粉に含まれ得る金属が溶解した浸出後液として金属含有溶液を得る。その後、たとえば特許文献1に記載されているように、中和や溶媒抽出等により、金属含有溶液中の各金属イオンを分離させ、有価金属を回収する。 In the process of recovering valuable metals from lithium-ion battery waste, for example, lithium-ion battery waste is pretreated, such as by roasting, and then the battery powder is leached with acid to obtain a metal-containing solution as a leaching liquid in which metals that may be contained in the battery powder are dissolved. Thereafter, as described in Patent Document 1, for example, the metal ions in the metal-containing solution are separated by neutralization, solvent extraction, or the like, and the valuable metals are recovered.
ところで、上述したような金属の回収プロセスでは、回収対象のコバルト、ニッケル及びマンガンのうちの一種以上の対象金属を含む金属塩の状態で回収できれば、それを直接的にリチウムイオン電池の正極材の製造原料等として使用できる可能性がある。例えば、コバルト、ニッケル及びマンガンの三種の対象金属の金属塩を含む混合金属塩が得られた場合、それを直接的にリチウムイオン二次電池の三元系正極材の製造原料等として使用できると考えられる。この場合、工程の簡略化、コストの大幅な削減が見込まれる。 In the metal recovery process described above, if the metals can be recovered in the form of metal salts containing one or more of the target metals cobalt, nickel, and manganese, it may be possible to use them directly as raw materials for manufacturing positive electrode materials for lithium-ion batteries. For example, if a mixed metal salt containing metal salts of the three target metals cobalt, nickel, and manganese is obtained, it is considered possible to use it directly as raw materials for manufacturing ternary positive electrode materials for lithium-ion secondary batteries. In this case, simplification of the process and significant cost reduction are expected.
この明細書では、リチウムイオン電池廃棄物から、コバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される一種以上の対象金属を金属塩として有効に回収することができる金属回収方法を提供する。 This specification provides a metal recovery method that can effectively recover one or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese as metal salts from lithium ion battery waste.
この明細書で開示する金属回収方法は、リチウムイオン電池廃棄物の電池粉から、コバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される一種以上の対象金属を含む金属を回収する方法であって、前記電池粉を酸で浸出させ、前記一種以上の対象金属が溶解した浸出後液としての金属含有溶液を得る浸出工程と、前記金属含有溶液のpHを上昇させ、前記一種以上の対象金属を含む中和残渣を得る中和工程とを含み、前記中和残渣を前記浸出工程で前記電池粉とともに浸出させ、前記浸出工程及び前記中和工程を含む一連の工程を繰り返すことにより、前記金属含有溶液中の前記一種以上の対象金属の濃度を上昇させ、前記浸出工程の後で前記中和工程の前に、前記金属含有溶液から前記一種以上の対象金属を析出させ、前記一種以上の対象金属を含む金属塩を得る晶析工程を含むものである。 The metal recovery method disclosed in this specification is a method for recovering metals, including one or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese, from battery powder of lithium-ion battery waste, and includes a leaching step in which the battery powder is leached with an acid to obtain a metal-containing solution as a post-leaching solution in which the one or more target metals are dissolved, and a neutralization step in which the pH of the metal-containing solution is increased to obtain a neutralization residue containing the one or more target metals. The neutralization residue is leached together with the battery powder in the leaching step, and a series of steps including the leaching step and the neutralization step are repeated to increase the concentration of the one or more target metals in the metal-containing solution, and a crystallization step in which the one or more target metals are precipitated from the metal-containing solution after the leaching step and before the neutralization step to obtain a metal salt containing the one or more target metals.
上述した金属回収方法によれば、リチウムイオン電池廃棄物から、コバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される一種以上の対象金属を金属塩として有効に回収することができる。 The above-mentioned metal recovery method makes it possible to effectively recover one or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese as metal salts from lithium ion battery waste.
以下に、上述した金属回収方法の実施の形態について詳細に説明する。
一の実施形態の金属回収方法は、リチウムイオン電池廃棄物の電池粉から、回収対象の金属として、コバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される一種以上の対象金属を含む金属を回収する方法である。
Hereinafter, an embodiment of the above-mentioned metal recovery method will be described in detail.
One embodiment of the metal recovery method is a method for recovering metals from battery powder of lithium ion battery waste, the metals to be recovered including one or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese.
この方法では、図1に示すように、電池粉を酸で浸出させ、一種以上の対象金属が溶解した浸出後液としての金属含有溶液を得る浸出工程と、金属含有溶液のpHを上昇させ、一種以上の対象金属を含む中和残渣を得る中和工程とを含む一連の工程を繰り返す。中和工程で得られる中和残渣は、浸出工程に供されて浸出工程で電池粉とともに浸出させる。このようにすれば、一連の工程の繰返しによって、金属含有溶液中の一種以上の対象金属が濃縮され、その濃度が次第に上昇する。 As shown in Figure 1, this method involves repeating a series of steps including a leaching step in which battery powder is leached with acid to obtain a metal-containing solution as a post-leaching liquid in which one or more target metals are dissolved, and a neutralization step in which the pH of the metal-containing solution is increased to obtain a neutralization residue containing one or more target metals. The neutralization residue obtained in the neutralization step is subjected to the leaching step, in which it is leached together with the battery powder. In this way, by repeating the series of steps, one or more target metals in the metal-containing solution are concentrated, and their concentration gradually increases.
そして、一連の工程を繰り返して、金属含有溶液中の一種以上の対象金属の濃度がある程度高くなったとき、浸出工程の後で中和工程の前に、金属含有溶液から一種以上の対象金属を析出させ、一種以上の対象金属を含む金属塩を得る晶析工程を行う。それにより、一種以上の対象金属を金属塩として有効に回収することができる。なお、晶析工程を行ったときは、一種以上の対象金属が溶解した晶析後液としての金属含有溶液が得られ、この金属含有溶液は中和工程に供される。 Then, when the series of steps is repeated and the concentration of one or more target metals in the metal-containing solution becomes high to a certain extent, a crystallization step is carried out after the leaching step and before the neutralization step, in which one or more target metals are precipitated from the metal-containing solution to obtain a metal salt containing one or more target metals. This makes it possible to effectively recover one or more target metals as metal salts. When the crystallization step is carried out, a metal-containing solution is obtained as a post-crystallization liquid in which one or more target metals are dissolved, and this metal-containing solution is then subjected to the neutralization step.
浸出工程後に得られる浸出後液としての金属含有溶液にリチウムが溶解している場合、そのリチウムの多くは中和工程後まで液中に残留し、中和工程では、リチウムが溶解したリチウム含有溶液が得られる。この場合、リチウム含有溶液から水酸化リチウム溶液を得る水酸化工程を行うことができる。また、電池粉にアルミニウム及び/又は鉄が含まれること等によって、浸出後液としての金属含有溶液にアルミニウム及び/又は鉄が溶解している場合、必要に応じて、一連の工程には、浸出工程と中和工程との間(晶析工程を行う場合は晶析工程の前)に、アルミニウム及び/又は鉄を除去する不純物除去工程が含まれ得る。 If lithium is dissolved in the metal-containing solution as the post-leaching solution obtained after the leaching step, much of the lithium remains in the solution until after the neutralization step, and the lithium-containing solution in which lithium is dissolved is obtained in the neutralization step. In this case, a hydroxide step can be performed to obtain a lithium hydroxide solution from the lithium-containing solution. In addition, if aluminum and/or iron are dissolved in the metal-containing solution as the post-leaching solution due to the battery powder containing aluminum and/or iron, the series of steps can include an impurity removal step for removing aluminum and/or iron between the leaching step and the neutralization step (before the crystallization step if a crystallization step is performed), as necessary.
(リチウムイオン電池廃棄物)
リチウムイオン電池廃棄物は、携帯電話その他の種々の電子機器等で使用され得るリチウムイオン二次電池で、電池製品の寿命や製造不良またはその他の理由によって廃棄されたものである。このようなリチウムイオン電池廃棄物から有価金属を回収することは、資源の有効活用の観点から好ましい。リチウムイオン電池廃棄物は、リサイクルの対象となるリチウムイオン電池のことを指し、そのリチウムイオン電池が有価で取引されるか、あるいは、無償または産業廃棄物の扱いで取引されるかについては問わない。
(Lithium ion battery waste)
Lithium-ion battery waste is a lithium-ion secondary battery that can be used in mobile phones and various other electronic devices, and is discarded due to the end of the battery product's life, manufacturing defects, or other reasons. From the viewpoint of effective use of resources, it is preferable to recover valuable metals from such lithium-ion battery waste. Lithium-ion battery waste refers to lithium-ion batteries that are subject to recycling, and it does not matter whether the lithium-ion batteries are traded for a value, or traded free of charge or as industrial waste.
リチウムイオン電池廃棄物は、その周囲を包み込む外装として、アルミニウムを含む筐体を有する。この筐体としては、たとえば、アルミニウムのみからなるものや、アルミニウム及び鉄、アルミラミネート等を含むものがある。 Waste lithium-ion batteries have a housing that contains aluminum as the exterior that encases them. For example, this housing may be made of only aluminum, or may contain aluminum and iron, aluminum laminate, etc.
また、リチウムイオン電池廃棄物は、上記の筐体内に、リチウムと、ニッケル、コバルト及びマンガンからなる群から選択される一種とを含む単独金属酸化物又は、二種以上とを含む複合金属酸化物等からなる正極活物質や、正極活物質が、たとえばポリフッ化ビニリデン(PVDF)その他の有機バインダー等によって塗布されて固着されたアルミニウム箔(正極基材)を含むことがある。またその他に、リチウムイオン電池廃棄物には、銅、鉄等が含まれる場合がある。 In addition, lithium-ion battery waste may contain, within the above-mentioned casing, a positive electrode active material made of a single metal oxide containing lithium and one selected from the group consisting of nickel, cobalt, and manganese, or a composite metal oxide containing two or more types of lithium and an aluminum foil (positive electrode substrate) to which the positive electrode active material is coated and fixed with, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) or other organic binder. In addition, lithium-ion battery waste may contain copper, iron, etc.
さらに、リチウムイオン電池廃棄物の筐体内には通常、六フッ化リン酸リチウム等の電解質を有機溶媒に溶解させた電解液が含まれる。有機溶媒としては、たとえば、エチレンカルボナート、ジエチルカルボナート等が使用されることがある。 The casing of lithium-ion battery waste typically contains an electrolyte solution in which an electrolyte such as lithium hexafluorophosphate is dissolved in an organic solvent. Examples of organic solvents that may be used include ethylene carbonate and diethyl carbonate.
(前処理工程)
リチウムイオン電池廃棄物に対しては、多くの場合、乾式処理の前処理工程を行う。前処理工程には、焙焼、破砕及び篩別のうちの少なくとも一つが含まれることがある。リチウムイオン電池廃棄物は、前処理工程を経ることにより電池粉になる。前処理工程の焙焼、破砕、篩別は、それぞれを必要に応じて行ってもよい他、順不同で行われ得る。図2に示す例では、焙焼、破砕及び篩別をこの順序で行っている。
(Pretreatment process)
Lithium ion battery waste is often subjected to a pretreatment process before dry processing. The pretreatment process may include at least one of roasting, crushing, and sieving. Lithium ion battery waste is turned into battery powder through the pretreatment process. The roasting, crushing, and sieving processes in the pretreatment process may be performed individually as necessary, or may be performed in any order. In the example shown in FIG. 2, roasting, crushing, and sieving are performed in this order.
なお、電池粉とは、リチウムイオン電池廃棄物に何らかの処理を施して、正極材成分が分離濃縮された粉を意味する。電池粉は、リチウムイオン電池廃棄物に対し、熱処理を行って又は熱処理を行わずに、破砕及び篩別を行うことにより正極材成分が濃縮された粉状のものとして得られることもある。 The term "battery powder" refers to powder in which the positive electrode material components have been separated and concentrated by subjecting lithium-ion battery waste to some kind of processing. Battery powder can also be obtained as a powder in which the positive electrode material components have been concentrated by crushing and sieving lithium-ion battery waste with or without heat treatment.
焙焼では、上記のリチウムイオン電池廃棄物を加熱する。焙焼を行うと、たとえば、リチウムイオン電池廃棄物に含まれるリチウム、コバルト等の金属が、溶けやすい形態に変化し得る。焙焼時には、リチウムイオン電池廃棄物を、たとえば450℃~1000℃、さらに600℃~800℃の温度範囲で0.5時間~4時間にわたって保持する加熱を行うことが好適である。焙焼は、大気雰囲気下又は窒素等の不活性雰囲気下で行うことができる他、大気雰囲気下と不活性雰囲気下の両雰囲気をこの順序で又はこれとは逆の順序で行ってもよい。焙焼炉は、バッチ式でも連続式でもよく、例えば、バッチ式では定置炉、連続式ではロータリーキルン炉等があり、その他の各種の炉を用いることもできる。 In the roasting process, the lithium ion battery waste is heated. When roasting is performed, for example, metals such as lithium and cobalt contained in the lithium ion battery waste can be converted into a form that is easily soluble. In the roasting process, it is preferable to heat the lithium ion battery waste at a temperature range of, for example, 450°C to 1000°C, or further 600°C to 800°C for 0.5 to 4 hours. Roasting can be performed in an air atmosphere or an inert atmosphere such as nitrogen, or it can be performed in both an air atmosphere and an inert atmosphere in this order or in the reverse order. The roasting furnace can be of a batch type or a continuous type. For example, a stationary furnace is used for the batch type, and a rotary kiln furnace is used for the continuous type, and various other furnaces can also be used.
焙焼の際には、電解液が蒸発すること等により、リチウムイオン電池廃棄物から電解液の少なくとも一部が除去される。多くの場合、焙焼時にリチウムイオン電池廃棄物が加熱されると、内部の電解液の成分中の低沸点のものから順次に蒸発する。焙焼を行った場合、電解液は除去されて無害化され、また、有機バインダーは分解されて、後述する破砕及び篩別の際にアルミニウム箔と正極活物質との分離が促進される。なお、正極活物質は焙焼により組成が変化するが、ここでは焙焼を経たものであっても正極活物質と呼ぶこととする。 During roasting, at least a portion of the electrolyte is removed from the lithium-ion battery waste by evaporating the electrolyte, etc. In many cases, when lithium-ion battery waste is heated during roasting, the electrolyte components inside the waste evaporate in order, starting with those with low boiling points. When roasting is performed, the electrolyte is removed and rendered harmless, and the organic binder is decomposed, facilitating the separation of the aluminum foil and the positive electrode active material during crushing and sieving, which will be described later. Note that the composition of the positive electrode active material changes due to roasting, but here we will refer to it as a positive electrode active material even if it has been roasted.
焙焼の後は、リチウムイオン電池廃棄物の筐体から正極活物質等を取り出すための破砕を行うことができる。破砕では、リチウムイオン電池廃棄物の筐体を破壊するとともに、正極活物質が塗布されたアルミニウム箔から正極活物質を選択的に分離させる。 After roasting, the lithium-ion battery waste can be crushed to remove the positive electrode active material and other materials from the casing. In the crushing process, the casing of the lithium-ion battery waste is destroyed and the positive electrode active material is selectively separated from the aluminum foil on which it is applied.
破砕には、種々の公知の装置ないし機器を用いることができるが、特に、リチウムイオン電池廃棄物を切断しながら衝撃を加えて破砕することのできる衝撃式の粉砕機を用いることが好ましい。この衝撃式の粉砕機としては、サンプルミル、ハンマーミル、ピンミル、ウィングミル、トルネードミル、ハンマークラッシャ等を挙げることができる。なお、粉砕機の出口にはスクリーンを設置することができ、それにより、リチウムイオン電池廃棄物は、スクリーンを通過できる程度の大きさにまで粉砕されると粉砕機よりスクリーンを通じて排出される。 Various known devices or equipment can be used for crushing, but it is particularly preferable to use an impact crusher that can crush the lithium ion battery waste by applying an impact while cutting it. Examples of this impact crusher include a sample mill, hammer mill, pin mill, wing mill, tornado mill, and hammer crusher. A screen can be installed at the outlet of the crusher, so that the lithium ion battery waste is discharged from the crusher through the screen when it has been crushed to a size that can pass through the screen.
リチウムイオン電池廃棄物を破砕した後は、適切な目開きの篩を用いて篩分けする篩別を行う。それにより、篩上にはアルミニウムや銅が残り、篩下にはアルミニウムや銅がある程度除去された電池粉を得ることができる。 After the lithium-ion battery waste is crushed, it is sieved using a sieve with appropriate mesh size. This leaves aluminum and copper on the sieve, and battery powder with aluminum and copper removed to a certain extent is obtained below the sieve.
前処理工程で得られる電池粉は、コバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される一種以上の対象金属が含まれる。その他、電池粉は、リチウム、アルミニウム、鉄及び銅からなる群から選択される少なくとも一種の金属を含むことがある。たとえば、電池粉のコバルト含有量は1質量%~30質量%、ニッケル含有量は1質量%~30質量%、マンガン含有量は1質量%~30質量%、リチウム含有量は2質量%~8質量%、アルミニウム含有量は1質量%~10質量%、鉄含有量は1質量%~5質量%、銅含有量は1質量%~10質量%である。 The battery powder obtained in the pretreatment process contains one or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese. In addition, the battery powder may contain at least one metal selected from the group consisting of lithium, aluminum, iron, and copper. For example, the battery powder has a cobalt content of 1% to 30% by mass, a nickel content of 1% to 30% by mass, a manganese content of 1% to 30% by mass, a lithium content of 2% to 8% by mass, an aluminum content of 1% to 10% by mass, an iron content of 1% to 5% by mass, and a copper content of 1% to 10% by mass.
電池粉は、そこから実質的にリチウムのみを取り出すため、後述する浸出工程の前に水と接触させることができる。それにより、電池粉中のリチウムが水に浸出する。この場合、その水浸出残渣としての電池粉を浸出工程に供する。但し、水浸出を行う場合、その設備が必要になるとともに、当該水浸出と浸出工程の酸浸出との両方を行うことにより処理時間が増大する他、水によってリチウムを有効に浸出させるための焙焼等の条件を管理することを要する場合がある。またそのように管理しても、水によるリチウムの浸出率をそれほど高めることができないことがある。それ故に、上述したようにして得られた電池粉は、水浸出を行わずに浸出工程の酸浸出に供してもよい。水浸出を行わない場合、浸出工程以降の湿式処理での液中のリチウムイオン濃度を高く維持しやすくなる。 The battery powder can be brought into contact with water before the leaching step described below in order to extract essentially only lithium from the battery powder. This causes the lithium in the battery powder to leach into the water. In this case, the battery powder as the water leaching residue is subjected to the leaching step. However, when water leaching is performed, the equipment is required, and the processing time increases by performing both the water leaching and the acid leaching in the leaching step. In addition, it may be necessary to control the conditions of roasting, etc., in order to effectively leach lithium with water. Even if such control is performed, the leaching rate of lithium with water may not be increased significantly. Therefore, the battery powder obtained as described above may be subjected to acid leaching in the leaching step without water leaching. When water leaching is not performed, it is easier to maintain a high lithium ion concentration in the liquid in the wet processing after the leaching step.
(浸出工程)
浸出工程では、上記の電池粉を、硫酸、硝酸又は塩酸その他の無機酸を含む酸性浸出液に添加すること等により、電池粉に含まれているコバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される一種以上の対象金属を含む金属を酸で浸出させる。
(Leaching process)
In the leaching process, the battery powder is added to an acidic leaching solution containing sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid or other inorganic acid, and metals including one or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel and manganese contained in the battery powder are leached with the acid.
浸出工程は公知の方法ないし条件で行うことができるが、pHは0.0~2.0とする場合があり、酸化還元電位(ORP値、銀/塩化銀電位基準)は0mV以下になることがある。 The leaching process can be carried out using known methods or conditions, but the pH may be between 0.0 and 2.0, and the oxidation-reduction potential (ORP value, silver/silver chloride potential standard) may be 0 mV or less.
酸による浸出で溶け残った浸出残渣は、フィルタープレスやシックナー等の公知の装置及び方法による濾過等の固液分離で、金属含有溶液から分離させることができる。電池粉中の銅の多くは、浸出残渣に含ませることができる場合がある。この固液分離は省略可能であり、浸出後に固液分離なしで次工程を行うこともある。 The leaching residue that remains after the acid leaching can be separated from the metal-containing solution by solid-liquid separation, such as filtration, using known devices and methods, such as a filter press or thickener. In some cases, much of the copper in the battery powder can be contained in the leaching residue. This solid-liquid separation can be omitted, and the next process after leaching may be carried out without solid-liquid separation.
浸出工程では、浸出後液として、コバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される一種以上の対象金属が溶解した金属含有溶液が得られる。典型的には、金属含有溶液はさらに、リチウム、アルミニウム、鉄及び銅からなる群から選択される少なくとも一種が溶解したものである。 In the leaching process, a metal-containing solution in which one or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese are dissolved is obtained as the leaching liquid. Typically, the metal-containing solution further contains at least one metal selected from the group consisting of lithium, aluminum, iron, and copper dissolved therein.
浸出後液としての金属含有溶液は、コバルトイオン濃度が10g/L~50g/L、ニッケルイオン濃度が10g/L~50g/L、マンガンイオン濃度が0g/L~50g/L、リチウムイオン濃度が1.0g/L~20g/L、アルミニウムイオン濃度が1.0g/L~20g/L、鉄イオン濃度が0.1g/L~5.0g/L、銅イオン濃度が0.005g/L~0.2g/Lである場合がある。 The metal-containing solution used as the post-leaching solution may have a cobalt ion concentration of 10 g/L to 50 g/L, a nickel ion concentration of 10 g/L to 50 g/L, a manganese ion concentration of 0 g/L to 50 g/L, a lithium ion concentration of 1.0 g/L to 20 g/L, an aluminum ion concentration of 1.0 g/L to 20 g/L, an iron ion concentration of 0.1 g/L to 5.0 g/L, and a copper ion concentration of 0.005 g/L to 0.2 g/L.
(不純物除去工程)
浸出工程で得られる浸出後液としての金属含有溶液に、不純物のアルミニウムイオン及び/鉄イオンがある程度含まれる場合、当該金属含有溶液のpHを上昇させ、アルミニウム及び/又は鉄を析出させて除去することができる。ここでは、脱アルミニウム段階と脱鉄段階を行うことがある。但し、金属含有溶液にアルミニウムイオン又は鉄イオンが実質的に含まれない場合等には、脱アルミニウム段階又は脱鉄段階を省略することがある。金属含有溶液がアルミニウムイオン及び鉄イオンのいずれも実質的に含まない場合、不純物除去工程を省略することも可能である。
(Impurity Removal Process)
When the metal-containing solution obtained as the post-leaching solution in the leaching step contains a certain amount of aluminum ions and/or iron ions as impurities, the pH of the metal-containing solution can be increased to precipitate and remove aluminum and/or iron. Here, a dealumination step and an iron removal step may be performed. However, when the metal-containing solution does not substantially contain aluminum ions or iron ions, the dealumination step or the iron removal step may be omitted. When the metal-containing solution does not substantially contain either aluminum ions or iron ions, it is also possible to omit the impurity removal step.
脱アルミニウム段階では、金属含有溶液のpHを上昇させることにより、アルミニウムイオンの少なくとも一部を析出させて、固液分離で除去する。このとき、たとえば50℃~90℃の液温にて、pH調整剤によってpHを4.0~5.0の範囲内に上昇させると、ニッケルイオンやコバルトイオンの析出を抑えつつ、アルミニウムイオンを有効に分離させることができる。 In the dealumination stage, the pH of the metal-containing solution is increased to precipitate at least a portion of the aluminum ions, which are then removed by solid-liquid separation. At this time, for example, if the pH is increased to within the range of 4.0 to 5.0 using a pH adjuster at a liquid temperature of 50°C to 90°C, the aluminum ions can be effectively separated while suppressing the precipitation of nickel ions and cobalt ions.
脱鉄段階では、酸化剤を添加し、更にpH調整剤を添加してpHを4.0~5.0の範囲内に上昇させる。それにより鉄イオンが2価から3価へ酸化され、酸化物又は水酸化鉄(Fe(OH)3)等の固体となって析出し、これを固液分離で除去することができる。酸化時の酸化還元電位(ORP値、銀/塩化銀電位基準)は、好ましくは300mV~900mVとする。酸化剤は、鉄を酸化できるものであれば特に限定されないが、二酸化マンガン、正極活物質、及び/又は、正極活物質を浸出して得られるマンガン含有浸出残渣とすることが好ましい。正極活物質を酸で浸出して得られるマンガン含有浸出残渣には、二酸化マンガンが含まれ得る。 In the iron removal stage, an oxidizing agent is added, and a pH adjuster is further added to raise the pH to within a range of 4.0 to 5.0. As a result, the iron ions are oxidized from divalent to trivalent, and precipitate as solids such as iron oxide or hydroxide (Fe(OH) 3 ), which can be removed by solid-liquid separation. The oxidation-reduction potential (ORP value, silver/silver chloride potential standard) during oxidation is preferably 300 mV to 900 mV. The oxidizing agent is not particularly limited as long as it can oxidize iron, but is preferably manganese dioxide, a positive electrode active material, and/or a manganese-containing leaching residue obtained by leaching the positive electrode active material. The manganese-containing leaching residue obtained by leaching the positive electrode active material with an acid may contain manganese dioxide.
上述した脱アルミニウム段階及び/又は脱鉄段階で使用するpH調整剤としては、たとえば水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等があるが、後述の水酸化工程で得られる水酸化リチウム溶液を用いることが好ましい。この場合、湿式処理内でリチウムイオンが循環する。 Examples of pH adjusters used in the above-mentioned dealumination and/or iron removal stages include lithium hydroxide, sodium hydroxide, sodium carbonate, ammonia, etc., but it is preferable to use a lithium hydroxide solution obtained in the hydroxide step described below. In this case, lithium ions circulate within the wet treatment.
(晶析工程)
上述の浸出工程、場合によっては不純物除去工程、及び、後述の中和工程を含む一連の工程を繰り返し行ったことにより、金属含有溶液中の対象金属の濃度がある程度高くなったときは、浸出工程の後又は不純物除去工程の後で中和工程の前に、晶析工程を行う。対象金属の濃度が上昇した後に晶析工程を行うことにより、リチウム等を析出させずに、対象金属を選択的に析出させることができる。
(Crystallization process)
When the concentration of the target metal in the metal-containing solution has increased to a certain degree by repeatedly performing a series of steps including the above-mentioned leaching step, the impurity removal step in some cases, and the neutralization step described below, a crystallization step is performed after the leaching step or after the impurity removal step and before the neutralization step. By performing the crystallization step after the target metal concentration has increased, the target metal can be selectively precipitated without precipitating lithium, etc.
晶析工程を行うのは、一連の工程の繰返しにより、浸出工程の後又は不純物除去工程の後の金属含有溶液のコバルトイオン濃度が50g/L以上になった場合、ニッケルイオン濃度が50g/L以上になった場合、及び/又は、マンガンイオン濃度が50g/L以上になった場合とすることがある。なお、このときのリチウムイオン濃度は1.0g/L~30g/Lとなっていることがある。 The crystallization process may be carried out when, through the repetition of a series of processes, the cobalt ion concentration of the metal-containing solution after the leaching process or the impurity removal process reaches 50 g/L or more, the nickel ion concentration reaches 50 g/L or more, and/or the manganese ion concentration reaches 50 g/L or more. At this time, the lithium ion concentration may be 1.0 g/L to 30 g/L.
晶析工程では、浸出工程の後又は不純物除去工程の後の金属含有溶液から、コバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される一種以上の対象金属の金属塩(コバルト塩、ニッケル塩及び/又はマンガン塩)を析出させる。 In the crystallization process, metal salts of one or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel and manganese (cobalt salts, nickel salts and/or manganese salts) are precipitated from the metal-containing solution after the leaching process or the impurity removal process.
ここでいう一種以上の対象金属が、コバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される二種以上の対象金属であって、金属含有溶液にコバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される二種以上の対象金属が溶解している場合、晶析工程では、当該二種以上の対象金属の各金属塩を析出させ、それらの金属塩を含む混合金属塩を得る。 The one or more target metals referred to here are two or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese, and when two or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese are dissolved in the metal-containing solution, the crystallization step causes each metal salt of the two or more target metals to precipitate, and a mixed metal salt containing those metal salts is obtained.
図1に示す例では、一種以上の対象金属が、コバルト、ニッケル及びマンガンの三種の対象金属であり、金属含有溶液にコバルト、ニッケル及びマンガンの三種の対象金属が溶解している。この例では、晶析工程にて、コバルト塩、ニッケル塩及びマンガン塩を含む混合金属塩を得る。 In the example shown in FIG. 1, the one or more target metals are three target metals, cobalt, nickel, and manganese, and the three target metals, cobalt, nickel, and manganese, are dissolved in the metal-containing solution. In this example, a mixed metal salt containing a cobalt salt, a nickel salt, and a manganese salt is obtained in the crystallization process.
晶析工程では、たとえば、金属含有溶液を50℃~80℃の温度に加熱して濃縮した後に冷却すること等により、金属含有溶液に溶解している一種以上の対象金属を晶析させることができる。 In the crystallization process, for example, one or more target metals dissolved in the metal-containing solution can be crystallized by heating the metal-containing solution to a temperature of 50°C to 80°C, concentrating the solution, and then cooling it.
それにより、金属含有溶液に含まれる硫酸イオン、硝酸イオン又は塩化物イオン等の無機酸の陰イオンに応じた金属塩が得られる。たとえば、金属含有溶液が硫酸イオンを含む場合、金属塩には、硫酸コバルト、硫酸ニッケル及び硫酸マンガンからなる群から選択される一種以上が含まれる。 Thereby, a metal salt corresponding to the anion of an inorganic acid, such as sulfate ion, nitrate ion, or chloride ion, contained in the metal-containing solution is obtained. For example, when the metal-containing solution contains sulfate ion, the metal salt includes one or more selected from the group consisting of cobalt sulfate, nickel sulfate, and manganese sulfate.
金属含有溶液に含まれる一種以上の対象金属のうち、晶析工程で析出しなかったものは、晶析後液に溶解した状態で残留する。また、晶析工程に供する金属含有溶液にリチウムイオンが含まれていたとき、リチウムイオンは多くの場合、晶析工程で析出せずに晶析後液に含まれる。 Of the one or more target metals contained in the metal-containing solution, those that are not precipitated in the crystallization process remain dissolved in the post-crystallization liquid. In addition, when lithium ions are contained in the metal-containing solution that is subjected to the crystallization process, the lithium ions are often not precipitated in the crystallization process and are contained in the post-crystallization liquid.
晶析後液としての金属含有溶液は、コバルトイオン濃度が140g/L~180g/L、ニッケルイオン濃度が100g/L~150g/L、マンガンイオン濃度が100g/L~150g/L、リチウムイオン濃度が10g/L~35g/Lとなる場合がある。 The metal-containing solution after crystallization may have a cobalt ion concentration of 140 g/L to 180 g/L, a nickel ion concentration of 100 g/L to 150 g/L, a manganese ion concentration of 100 g/L to 150 g/L, and a lithium ion concentration of 10 g/L to 35 g/L.
(中和工程)
中和工程では、浸出工程後、不純物除去工程後又は晶析工程後の金属含有溶液にpH調整剤を添加してpHを上昇させ、そこに溶解している一種以上の対象金属を析出させて、対象金属を含む中和残渣を得る。
(Neutralization process)
In the neutralization process, a pH adjuster is added to the metal-containing solution after the leaching process, the impurity removal process, or the crystallization process to raise the pH, thereby precipitating one or more target metals dissolved therein, thereby obtaining a neutralization residue containing the target metals.
より詳細には、たとえば、金属含有溶液の液温を60℃~90℃とし、pHを9.0~10.0、酸化還元電位(ORP値、銀/塩化銀電位基準)を0mV~600mVとすることができる。pH調整剤としては、たとえば水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等があるが、後述の水酸化工程で得られる水酸化リチウム溶液を用いることが好ましい。この場合、湿式処理内でリチウムイオンが循環する。 More specifically, for example, the temperature of the metal-containing solution can be set to 60°C to 90°C, the pH to 9.0 to 10.0, and the oxidation-reduction potential (ORP value, silver/silver chloride potential standard) to 0 mV to 600 mV. Examples of pH adjusters include lithium hydroxide, sodium hydroxide, sodium carbonate, and ammonia, but it is preferable to use the lithium hydroxide solution obtained in the hydroxide process described below. In this case, lithium ions circulate within the wet treatment.
多くの場合、対象金属は、水酸化物(水酸化コバルト、水酸化ニッケル及び/又は水酸化マンガン)として沈殿して中和残渣に含まれる。中和残渣には、対象金属の酸化物(Co3O4、Mn3O4、Mn2O3、Ni3O4等)が含まれる場合もある。 In most cases, the target metals are precipitated as hydroxides (cobalt hydroxide, nickel hydroxide, and/or manganese hydroxide) in the neutralization residue, and may also contain oxides of the target metals ( Co3O4 , Mn3O4 , Mn2O3 , Ni3O4 , etc. ).
中和残渣は、固液分離により溶液から分離させることができる。この実施形態では、図1に示すように、中和残渣を浸出工程に供し、浸出工程で電池粉とともに浸出させる。それにより、中和工程で中和残渣に移行した対象金属が、浸出工程で浸出されて再度、金属含有溶液に含まれる。このようにして浸出工程及び中和工程を含む一連の工程を繰り返すと、該一連の工程内で循環する対象金属に、新たに投入される電池粉中のものが加わることで、金属含有溶液中の対象金属の濃度が上昇する。金属含有溶液中の対象金属の濃度がある程度高くなったときは、先述したように晶析工程を行って対象金属の金属塩を得る。 The neutralization residue can be separated from the solution by solid-liquid separation. In this embodiment, as shown in FIG. 1, the neutralization residue is subjected to a leaching process, in which it is leached together with the battery powder. As a result, the target metal transferred to the neutralization residue in the neutralization process is leached in the leaching process and is included again in the metal-containing solution. By repeating a series of processes including the leaching process and the neutralization process in this manner, the target metal circulating in the series of processes is added to the target metal in the newly added battery powder, thereby increasing the concentration of the target metal in the metal-containing solution. When the concentration of the target metal in the metal-containing solution has reached a certain level, a crystallization process is performed as described above to obtain a metal salt of the target metal.
なお、金属含有溶液中のリチウムイオンは実質的に中和工程で析出しないので、中和残渣にはリチウムがほぼ含まれない。対象金属を含むがリチウムを含まない中和残渣を浸出工程に供して、一連の工程を繰り返すと、一連の工程では、金属含有溶液中の対象金属の濃度は大きく上昇していくが、リチウムイオン濃度はそれほど上昇しない。このため、そのような金属含有溶液に対して先述の晶析工程を行った場合、晶析工程では、対象金属が、リチウムイオンよりも先に晶析しやすくなる。それにより、晶析工程では、リチウムイオンを析出させずに、対象金属を選択的に析出させることができる。 In addition, since the lithium ions in the metal-containing solution are not substantially precipitated in the neutralization process, the neutralization residue contains almost no lithium. If the neutralization residue containing the target metal but not lithium is subjected to the leaching process and the series of steps is repeated, the concentration of the target metal in the metal-containing solution increases significantly in the series of steps, but the lithium ion concentration does not increase significantly. For this reason, if the above-mentioned crystallization process is performed on such a metal-containing solution, the target metal is more likely to crystallize before the lithium ions in the crystallization process. As a result, the target metal can be selectively precipitated in the crystallization process without precipitating the lithium ions.
中和工程で中和残渣を分離させて得られる溶液は、実質的にリチウムのみが溶解しているリチウム含有溶液である。リチウム含有溶液のリチウムイオン濃度は、10g/L~35g/Lとなる場合がある。このリチウム含有溶液に対しては、次に述べる水酸化工程を行うことができる。 The solution obtained by separating the neutralization residue in the neutralization process is a lithium-containing solution in which essentially only lithium is dissolved. The lithium-containing solution may have a lithium ion concentration of 10 g/L to 35 g/L. This lithium-containing solution can be subjected to the hydroxide process described below.
(水酸化工程)
水酸化工程では、硫酸リチウム溶液等の上記のリチウム含有溶液から、水酸化リチウム溶液を得る。水酸化工程は、水酸化リチウム溶液を作製できれば、その詳細については特に問わないが、たとえば、電気透析による手法、水酸化バリウムを使用する化成法、炭酸リチウムを作製した後に水酸化カルシウムを使用する化成法等を採用することができる。
(Hydroxylation process)
In the hydroxide step, a lithium hydroxide solution is obtained from the lithium-containing solution such as a lithium sulfate solution. The details of the hydroxide step are not particularly limited as long as the lithium hydroxide solution can be produced, but for example, a method using electrodialysis, a chemical conversion method using barium hydroxide, a chemical conversion method using calcium hydroxide after producing lithium carbonate, etc. can be adopted.
電気透析では、バイポーラ膜電気透析装置にて、陰イオン交換膜と陽イオン交換膜との間の脱塩室にリチウム含有溶液を入れるとともに、バイポーラ膜と陰イオン交換膜との間の酸室及び、陽イオン交換膜とバイポーラ膜との間のアルカリ室のそれぞれに純水を入れて、電極間に電圧を印加する。そうすると、脱塩室の金属含有溶液中のリチウムイオンがアルカリ室に移動し、アルカリ室にて、バイポーラ膜によって純水が水酸化物イオンに分解され、水酸化リチウム溶液が得られる。 In electrodialysis, in a bipolar membrane electrodialysis device, a lithium-containing solution is placed in the desalting chamber between the anion exchange membrane and the cation exchange membrane, while pure water is placed in the acid chamber between the bipolar membrane and the anion exchange membrane and the alkaline chamber between the cation exchange membrane and the bipolar membrane, and a voltage is applied between the electrodes. This causes the lithium ions in the metal-containing solution in the desalting chamber to move to the alkaline chamber, where the bipolar membrane breaks down the pure water into hydroxide ions, producing a lithium hydroxide solution.
炭酸化及び化成法による場合、まずリチウム含有溶液に炭酸塩を添加し又は炭酸ガスを吹き込むこと等により、炭酸リチウム溶液を得る。その後、いわゆる化成法では、炭酸リチウム溶液に水酸化カルシウムを添加し、Li2CO3+Ca(OH)2→2LiOH+CaCO3の反応式の下、水酸化リチウム溶液を生成させることができる。液中に残留することがあるカルシウムイオンは、陽イオン交換樹脂やキレート樹脂等により除去することが可能である。 In the case of the carbonation and chemical formation method, a lithium carbonate solution is first obtained by adding carbonate to a lithium-containing solution or by blowing carbon dioxide gas into the solution. Then, in the so-called chemical formation method, calcium hydroxide is added to the lithium carbonate solution to generate a lithium hydroxide solution under the reaction formula Li2CO3 +Ca(OH) 2 →2LiOH+ CaCO3 . Calcium ions that may remain in the solution can be removed by a cation exchange resin, a chelating resin, or the like.
水酸化バリウムを使用する場合、リチウム含有溶液に水酸化バリウムを添加し、Li2SO4+Ba(OH)2→2LiOH+BaSO4の反応に基づき、水酸化リチウム溶液を得ることができる。なお、このときに液中に溶解し得るバリウムは、陽イオン交換樹脂やキレート樹脂等を用いて分離させて除去することができる。 When barium hydroxide is used, it is possible to obtain a lithium hydroxide solution by adding barium hydroxide to a lithium-containing solution and carrying out the reaction Li2SO4 + Ba(OH) 2 → 2LiOH + BaSO4 . Note that barium that may dissolve in the solution at this time can be separated and removed using a cation exchange resin, a chelating resin, or the like.
このようにして得られた水酸化リチウム溶液は、図1に示すように、中和工程にて、アルカリ性のpH調整剤として有効に用いることができる。 The lithium hydroxide solution obtained in this manner can be effectively used as an alkaline pH adjuster in the neutralization process, as shown in Figure 1.
なお、水酸化の後、加熱濃縮又は減圧蒸留等の晶析操作により、水酸化リチウム溶液から水酸化リチウムを析出させてもよい。晶析では、加熱濃縮の場合、晶析時の温度は高いほど処理が速く進むので好ましい。ただし、晶析後、晶析物の乾燥時の温度は、結晶水が脱離しない60℃未満の温度で実施することが好ましい。結晶水が脱離すると、無水の水酸化リチウムとなり潮解性を有するため取り扱いが困難となるからである。その後、水酸化リチウムを、必要な物性に調整するため、粉砕処理等を行うことができる。 After the hydroxide, lithium hydroxide may be precipitated from the lithium hydroxide solution by a crystallization procedure such as heating and concentration or vacuum distillation. In the case of heating and concentration, the higher the temperature during crystallization, the faster the process proceeds, which is preferable. However, after crystallization, the crystallized material is preferably dried at a temperature of less than 60°C, at which water of crystallization does not desorb. If water of crystallization desorbs, the resulting product becomes anhydrous lithium hydroxide, which is deliquescent and difficult to handle. The lithium hydroxide can then be subjected to a grinding process or the like to adjust the physical properties required.
(効果の検証)
コバルト、ニッケル、マンガン及びリチウムの飽和濃度は、化学便覧 基礎編 改訂3版(公益社団法人 日本化学会編、丸善出版、1984年6月発行)により確認したところ、図3にグラフで示すとおりであった。なお、マンガンについては、図3に示していないが、20℃での飽和濃度は143g/Lであった。
(Verification of effectiveness)
The saturation concentrations of cobalt, nickel, manganese and lithium were confirmed according to the Chemical Handbook, Basic Edition, 3rd Revised Edition (published by Maruzen Publishing, June 1984, edited by the Chemical Society of Japan), and were as shown in the graph in Figure 3. Although not shown in Figure 3, the saturation concentration of manganese at 20°C was 143 g/L.
これにより、コバルトやニッケル、マンガンの濃度がある程度高くなったところで晶析を行うと、リチウムを析出させずに、コバルトやニッケル、マンガンを析出できることがわかる。 This shows that if crystallization is performed when the concentrations of cobalt, nickel, and manganese are high enough, cobalt, nickel, and manganese can be precipitated without precipitating lithium.
以上より、先述した金属回収方法によれば、リチウムイオン電池廃棄物から、コバルト、ニッケル及びマンガンからなる群から選択される一種以上の対象金属を金属塩として有効に回収できる可能性が示唆された。 The above suggests that the above-mentioned metal recovery method may be able to effectively recover one or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese as metal salts from lithium-ion battery waste.
Claims (8)
前記電池粉を酸で浸出させ、前記一種以上の対象金属が溶解した浸出後液としての金属含有溶液を得る浸出工程と、前記金属含有溶液のpHを上昇させ、前記一種以上の対象金属を含む中和残渣を得る中和工程とを含み、
前記中和残渣を前記浸出工程で前記電池粉とともに浸出させ、前記浸出工程及び前記中和工程を含む一連の工程を繰り返すことにより、前記金属含有溶液中の前記一種以上の対象金属の濃度を上昇させ、
前記浸出工程の後で前記中和工程の前に、前記金属含有溶液から前記一種以上の対象金属を析出させ、前記一種以上の対象金属を含む金属塩を得る晶析工程を含む金属回収方法。 A method for recovering metals, including one or more target metals selected from the group consisting of cobalt, nickel, and manganese, from battery powder of lithium ion battery waste, comprising the steps of:
The method includes a leaching step of leaching the battery powder with an acid to obtain a metal-containing solution as a leaching solution in which the one or more target metals are dissolved, and a neutralization step of increasing the pH of the metal-containing solution to obtain a neutralization residue containing the one or more target metals,
the neutralization residue is leached together with the battery powder in the leaching step, and a series of steps including the leaching step and the neutralization step are repeated to increase the concentration of the one or more target metals in the metal-containing solution;
A metal recovery method comprising a crystallization step, subsequent to the leaching step and prior to the neutralization step, of precipitating the one or more target metals from the metal-containing solution to obtain a metal salt containing the one or more target metals.
前記中和工程で、リチウムが溶解したリチウム含有溶液が得られ、
前記リチウム含有溶液から水酸化リチウム溶液を得る水酸化工程を含む請求項1~3のいずれか一項に記載の金属回収方法。 Lithium is dissolved in the metal-containing solution as the post-leaching solution,
In the neutralization step, a lithium-containing solution in which lithium is dissolved is obtained,
The metal recovery method according to any one of claims 1 to 3, further comprising a hydroxide step of obtaining a lithium hydroxide solution from the lithium-containing solution.
前記一連の工程が、前記浸出工程と前記中和工程との間に、当該金属含有溶液のpHを上昇させ、アルミニウム及び/又は鉄を析出させて除去する不純物除去工程をさらに含む請求項1~3のいずれか一項に記載の金属回収方法。 The metal-containing solution as the post-leaching solution contains dissolved aluminum and/or iron,
The metal recovery method according to any one of claims 1 to 3, wherein the series of steps further includes an impurity removal step between the leaching step and the neutralization step, in which the pH of the metal-containing solution is increased to precipitate and remove aluminum and/or iron.
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