JP6557609B2 - 廃リチウムイオン電池の処理装置及び処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や電気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。

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るリチウムイオン電池は、リチウムイオン電池セルとして電池モジュールに複数配列され、電池モジュールを樹脂製や金属製の箱型筐体内に複数収納した電池パックとして車両に搭載される。この電池パックにおいて、複数の電池モジュールはワイヤーハーネス等で電気的に接続され、電池パックには、さらに電池制御システムや強電回路を遮断する回路やスイッチ等が搭載されている。

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、セパレーター等からなるため、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。そのため、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。

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、篩い分け、選別等による分離回収が行われている。焙焼処理は、電解液に含まれるプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の有機溶媒、六フッ化リン酸リチウムの支持塩、ポリエチレンやポリプロピレン等のセパレーターを熱分解し、除去することを目的としている。リチウムイオン二次電池の焙焼処理については、特許文献１〜５等に記載されている。

特開平６−３４６１６０号公報 特開平７−２４５１２６号公報 特開２０１２−７９６３０号公報 特開昭５５−１５２１３８号公報 特開２０１２−１１２０２７号公報

特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、焙焼は大気雰囲気で行われ、特許文献３では、大気雰囲気、酸化雰囲気、不活性雰囲気、還元性雰囲気等が例示され、この中から炉内雰囲気を制御し易い大気雰囲気（空気雰囲気）が好ましいとされている。大気雰囲気で焙焼処理を行うと、電解液やセパレーターの有機物が分解されて着火し、燃焼するため、炉内の温度が急激に上昇する。

そこで、上記急激な温度上昇を抑えるため、特許文献４に記載の発明では、窒素ガス、アルゴンガス、ＣＯ、ＣＯ₂等のガスを炉に通風し、炉内を非酸化雰囲気、すなわち還元性雰囲気にすることで急激な燃焼による温度上昇を防いでいる。

また、特許文献５には、木材、木炭、石炭、コークス、活性炭等のカーボン源を使用して炉内を還元雰囲気とすることが記載されている。しかし、カーボン源も可燃性であるため、炉内を還元性雰囲気にしてリチウム電池の着火、燃焼を抑えるには大量のカーボン源が必要となる。

小型のリチウムイオン二次電池の少量の処理であれば、急激な燃焼による温度変化も生じ難く、処理炉を大きくしたり、通風速度を制御して急激な燃焼による温度の上昇を抑制することにより変動を小さくすることが可能である。しかし、大量処理や大型のリチウムイオン二次電池の大量処理の場合には、焙焼雰囲気を調整するのが容易ではなく、例えば、大型ユニットの場合には、有機化合物を大量に含むため、激しく燃焼して急激な温度上昇が起こる。特に未放電のリチウムイオン二次電池を燃焼させた場合、電極より酸素も同時に生じるため、より燃焼が激しくなる。そうすると品質の安定した処理物を得ることができずに、有価物の回収率が低下することになる。

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、廃棄されたリチウムイオン二次電池を簡易な作業で安定して大量に処理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、本発明は、廃リチウムイオン電池の処理装置であって、リチウムイオン電池を格納し、斜め上方に突出する排気管を有する耐熱容器と、円筒状の炉壁を有し、該炉壁の内面に沿って水平方向に燃料を噴出するバーナーと、上面視円形の天井部の中心部に排気管と、上面視円形の炉床の近傍に温度計を有する熱処理炉と、該熱処理炉に前記耐熱容器を投入及び排出可能な容器搬送装置とを備えることを特徴とする。ここで、耐熱容器に対し、廃リチウムイオン電池単体を複数投入してもよいし、ハイブリッド自動車等に使用された後の、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てなる電池パック又は前記電池モジュールを投入してもよい。

本発明によれば、電池パック又は電池モジュールに対して電池セルを個々に取外すことなく加熱処理を施すことで電池パック又は電池モジュールを乾留して炭化混合物を分離するようにしたので、電池パックの樹脂製の筐体や、あるいは電池モジュールの各電池セルを挟み込む樹脂製のフレームや、リチウムイオン電池の負極材料に使用されるカーボン等が炭化混合物として有用金属が含まれる金属から分離される。

また、電池パック又は電池モジュールを排気管が設けられた耐熱容器に格納した後、熱処理炉に投入して耐熱容器の外側から加熱するため、耐熱容器内部を還元雰囲気とし、内部の電池パック又は電池モジュールを乾留して炭化混合物を分離することができる。このとき、電池内の低沸点の電解液は揮発し、耐熱容器の排気管から熱処理炉内に排出されると共に耐熱容器内の空気が排出され、電池パック又は電池モジュールは還元雰囲気の耐熱容器によって保護されるので、炉内で廃リチウムイオン電池が爆発する危険性を抑えることができる。

さらに、耐熱容器の排気管からは、電解液が揮発することによって発生したガスと、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の２種類の有機ガスが熱処理炉内に排気され、これらは加熱処理用の燃料として使用されるので燃料コストを削減することができる。尚、これらの有機ガスを炉内で燃焼して温度を調節するにあたっては、酸素量をコントロールすることで温度の制御が容易になる。

そして、加熱処理を還元雰囲気で実施することによれば、プラスチック等の可燃性物質を燃焼させることはないのでダイオキシン類も生成され難く、しかも金属の酸化によるスラグ化も抑えるものであるので、廃リチウムイオン電池を無害化することができる。また、プラスチック等が燃焼することによる温度暴走を防止することができ、極めて簡易な作業でリサイクル処理を実施することができる。

また、耐熱容器が斜め上方に突出する排気管を有するため、リチウムイオン二次電池の乾留時に有機化合物が激しく燃焼して燃焼ガスが排気管から噴出しても、燃焼ガスが斜め上方に噴出するため、燃焼ガスによって熱処理炉の内部の安定した渦燃焼が阻害されることがなく、炉床近傍に設置した温度計によって炉全体の代表的な温度を測定することができるため、大量の廃リチウムイオン電池を安定して処理することができ、安定した品質の処理物が得られる。

上記処理装置は、前記熱処理炉の天井部の近傍の排気管の内部に、該熱処理炉の内部の圧力を調整するためのダンパーを備えることができる。これによって、リチウムイオン二次電池の有機化合物が激しく燃焼して熱処理炉の内部の圧力が急激に上昇したような場合でも、ダンパーによって迅速に圧力を逃がすことなどが可能となり熱処理炉内の負圧を安定して維持することができる。

上記処理装置は、前記熱処理炉の炉床を水平回転させる炉床回転装置を備え、前記容器搬送装置を介して、前記耐熱容器を連続的に投入して複数の耐熱容器を前記炉床上に環状に載置すると共に、一回りした前記耐熱容器を前記炉床上から連続的に排出することができる。熱処理炉を連続式回転炉とすることで熱ガスが旋回しながら炉内を循環し、これにより炉内温度の均一化が図れるので、温度ムラに起因して安全上処理温度を低めに設定する必要はなく、処理温度をより高く設定して効率的に加熱することができる。また、連続処理により、熱処理炉から排気される未燃焼ガスの種類や量が安定するため、その後、未燃焼ガスを処理するための制御を容易に行うことができる。

また、本発明は、廃リチウムイオン電池の処理方法であって、リチウムイオン電池を格納し、斜め上方に突出する排気管を有する耐熱容器と、円筒状の炉壁を有し、該炉壁の内面に沿って水平方向に燃料を噴出するバーナーと、上面視円形の天井部の中心部に排気管と、上面視円形の炉床の近傍に温度計を有する熱処理炉と、該熱処理炉に前記耐熱容器を投入及び排出可能な容器搬送装置とを備える処理装置を用い、前記熱処理炉に投入された前記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前記バーナーで加熱して前記耐熱容器内部の前記リチウムイオン電池の負極材料を乾留して炭化混合物を分離すると共に、該電池内の電解液を揮発させて前記耐熱容器の排気管から前記熱処理炉内に排出させ、前記温度計を用いて該熱処理炉の内部の温度を調節することを特徴とする。

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、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てなる電池パック又は前記電池モジュールを格納し、斜め上方に突出する排気管を有する耐熱容器と、円筒状の炉壁を有し、該炉壁の内面に沿って水平方向に燃料を噴出するバーナーと、上面視円形の天井部の中心部に排気管と、上面視円形の炉床の近傍に温度計を有する熱処理炉と、該熱処理炉に前記耐熱容器を投入及び排出可能な容器搬送装置とを備える処理装置を用い、前記熱処理炉に投入された前記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前記バーナーで加熱して前記耐熱容器内部の前記電池パック又は前記電池モジュールを乾留して炭化混合物を分離すると共に、該電池内の電解液を揮発させて前記耐熱容器の排気管から前記熱処理炉内に排出させ、前記温度計を用いて該熱処理炉の内部の温度を調節することを特徴とする。

上記両発明によれば、大量の廃リチウムイオン電池を安定して極めて簡易な作業でリサイクル処理することができると共に、加熱温度は、変動がないようにされているので、その後の処理として有用金属が含まれる処理物から有用金属を分離する処理を容易に行うことができ、回収率が高まる。

上記処理方法において、前記熱処理炉の天井部の近傍の排気管の内部に配置されたダンパーを用い、該熱処理炉の内部の圧力を調整することができ、リチウムイオン二次電池の有機化合物が激しく燃焼して熱処理炉の内部の圧力が急激に上昇したような場合でも、ダンパーによって迅速に圧力を逃がすことなどが可能となり熱処理炉内の負圧を安定して維持することができる。

上記処理方法において、前記熱処理炉の内部の温度を４００℃以上６５０℃以下に調節することができる。これにより、プラスチックの分解温度（３００℃）以上で樹脂製材料を分解し金属から分離しやすい状態と、６５０℃以下にすることによりアルミニウムが溶融しない状態となり、処理時間を短縮することができ、かつ品質の安定した有価物の回収が容易な処理物を得ることができる。

上記処理方法において、前記熱処理炉の排気管を介して排出されたガスをセメント調整装置のプレヒータの３５０℃以上の領域に導入することができる。これによって、二次燃焼室として新規な施設を設ける必要がなく、廃リチウムイオン電池の電解質に含まれるフッ素化合物が熱分解して生じた、燃焼ガス中のフッ化物をセメント調合原料に捕捉させたり、廃リチウムイオン電池の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ＶＯＣ（揮発性有機化合物）も燃焼させることができ、未燃焼ガスを無害化することもできる。

以上のように、本発明によれば、廃棄されたリチウムイオン二次電池を簡易な作業で安定して大量に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１及び図２の処理装置に用いられる耐熱容器の容器本体を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は底面図である。 図１及び図２の処理装置に用いられる耐熱容器の蓋を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図である。 図３の容器本体及び図４の蓋を組み合わせて耐熱容器を構成した状態を示す縦断面図である。 図１及び図２の処理装置におけ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。 図１及び図２の処理装置におけ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。 比較例の実験結果を示すグラフであって、縦軸は炉内温度（℃）、横軸は運転時間を表している。 実施例の実験結果を示すグラフであって、縦軸は炉内温度（℃）、横軸は運転時間を表している。

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を備える。この処理装置１は、特に電池から生じる発熱量が高くなる容器一つ（１バッチ）当たり投入量が５０ｋｇ以上の場合に有用であり、さらに、激しく燃焼が生じる２次電池に特に有用である。

耐熱容器２は、図３〜図５に示すように、容器本体２Ａと蓋２Ｂとで構成される。容器本体２Ａ及び蓋２Ｂの材質は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）等であって、少なくとも６５０℃の耐熱温度を有する。

図３に示すように、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、図４に示すように、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。尚、排気管２ｇと水平面とのなす角は、４５°程度に設定されるが、これに限定されるものではない。また、排気管２ｇの向きは、排気管２ｇから噴出する燃焼ガスの速度ベクトルの水平成分が熱処理炉３の渦燃焼の方向と同方向になるように設定される。また、排気管２ｇの設置位置は、図２に示す通り、４本のガスバーナー８（８Ａ〜８Ｄ）より低く、排気管２８の先端２８ａより高い位置であればよい。

上記容器本体２Ａと蓋２Ｂとで耐熱容器２を構成するには、図５に示すように、容器本体２Ａの内筒２ａと外筒２ｂの間の溝部２ｊに蓋２Ｂの本体２ｎの下端２ｋが嵌め込まれると共に、溝部２ｊに砂が充填されてサンドシールが構成され、蓋２Ｂは容器本体２Ａに対して一定の距離Ｌ分だけ浮き上がり可能な状態で取り付けられる。サンドシール構造によって容器本体２Ａに対して蓋２Ｂを浮き上がり可能としたことで、加熱処理時の反応によって耐熱容器２の内部の圧力が高まったとしても、蓋２Ｂが浮き上がることで高まった圧力を逃がし、耐熱容器２の損傷等を防止することができる。

尚、耐熱容器２の構造は、上記のものに限定されず、容器本体２Ａに対して蓋２Ｂが浮き上がり高まった圧力を逃がす構造を有するものであれば、例えば、緩衝機構を設けたものなどを用いることができる。

また、複数個の電池パック５０を格納することができ、耐熱性に優れ、上部に排気管２ｇが設けられたものであれば、特に分割されていなくともよい。

さらに、耐熱容器２の容器本体２Ａに、加熱処理時にプラスチック等の溶解物を受けて溜め込む凹部（不図示）を形成し、プラスチック等の溶解物が耐熱容器２から外にこぼれ出すことを防止してもよい。

図１及び図２に示すように、熱処理炉３は、耐火材で覆われた鋼板で炉壁７が構成された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。炉内の温度及び圧力を測定するために温度計１３及び圧力計１４が設けられる。温度計１３はガスバーナー８や排気管２ｇの影響を受けないように、後述する熱処理炉３の炉床１７付近に設置される。尚、ガスバーナー８及びノズル１１の設置本数は、４本に限定されることなく、３本以下であっても５本以上であってもよい。

熱処理炉３の炉床１７は、炉壁７と同様に耐火材で覆われた鋼板からなり、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。

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、図６及び図７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。

また、耐熱容器２は、熱処理炉３内に投入される直前には、すなわち、開閉式の炉体扉７ｂの外側に位置する際には、熱処理炉３の接線方向（図１では上下方向）に移動自在のスライドベース２１上に載置され、スライドベース２１の端部に接続されたベース移動装置２２によってスライドベース２１は、炉体扉７ｂの前位置に設けられた炉前室２３（図１の位置）と、開閉式の炉前室扉２４を隔てて外側に位置するスタンド２５の間を移動可能にされている。炉前室２３は、外部に対しては炉前室扉２４で隔てられると共に、熱処理炉３に対しては炉体扉７ｂで隔てられ、炉体扉７ｂを開放したときの温度変化を抑えるようにしている。また、炉前室２３を設けることで熱処理炉３内の雰囲気が保持されると共に、危険なガスの漏洩や熱風の吹き出しを防止することができる。

スライドベース２１がスタンド２５上に移動したときに、クレーン（不図示）で加熱される前の耐熱容器２がスライドベース２１上に載せられ、その後、炉前室２３までベース移動装置２２によって運ばれ、加熱された後の耐熱容器２は炉前室２３からスタンド２５まで同じくベース移動装置２２によって運ばれ、その後、冷却室（不図示）まで自動的に移動するように構成されている。ベース移動装置２２は、モーター２２ａの駆動によってシャフト２２ｂを伸縮させることでシャフト２２ｂの先端に接続されたスライドベース２１を移動させる。

図１及び図２に示すように、熱処理炉３より離れた位置に二次燃焼室２７が設けられ、二次燃焼室２７と熱処理炉３との間は排気管２８によって連結されている。また排気管２８には、排気管２８を介して熱処理炉３内の未燃焼ガスを二次燃焼室２７に送るファン２９が設けられている。

二次燃焼室２７もガスバーナー３４によって加熱され、二次燃焼室２７内で未燃焼ガスの燃焼用空気がファン３０を介して二次燃焼室２７内に供給される。また、二次燃焼室２７内の温度は温度計３２によって測定される。二次燃焼室２７には排気用の煙突３１が設けられる。

排気管２８の熱処理炉３側は、図２に示すように、熱処理炉３の天井部の中央から熱処理炉３内に導かれ、その先端２８ａの位置は、耐熱容器２内の電池パック５０の上面位置より低くなるように設定されている。ここでは、排気管２８の先端（下端）２８ａの位置を耐熱容器２内で４段重ねにされた電池パック５０の上から３段目と４段目の間の高さと同じ位置にしている。このように、排気管２８の熱処理炉側先端２８ａを、耐熱容器２内の電池パック５０の上面位置より低く設定することで、熱処理炉３内で熱風は上方から下方へまた下方から上方へ大きく対流するので、内部の電池パック５０は効率的に乾留される。従って、電池パック５０を耐熱容器２内において複数積層（本実施形態では４段）しても十分リサイクル処理することができるので、仮に処理すべき電池パック５０の数が大量であっても短時間で処理することができる。また、電池パック５０内のリチウムイオン電池が放電しているか否かに関わらず処理することができる。

排気管２８内の熱処理炉３の直上には、熱処理炉３の内部の圧力を調整するためのダンパー３３が設けられ、例えば、熱処理炉３内の圧力が高まるとダンパー３３を開き、熱処理炉３の内部の負圧が維持される。ダンパー３３には、図示のバタフライバルブ等を用いることができる。

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。

（１）熱処理炉３の内部の残留ガスを炉外に排出するプレパージを行った後、ガスバーナー８に点火して炉温を制御範囲の温度上限が６５０℃を超えないよう６２０℃程度まで昇温して温度を一定に保持する。

（２）炉前室扉２４を開放してベース移動装置２２を介してスライドベース２１を炉前室２３の外側に設けられたスタンド２５の位置まで前進させる。そして、クレーン（不図示）を使用して、図６及び図７に示したように使用済みの８個の電池パック５０が格納された（４段重ねのものが２組突き合わされた状態で格納）耐熱容器２をスタンド２５の位置に移動したスライドベース２１上に載置する。

（３）ベース移動装置２２を介してスライドベース２１をスタンド２５の位置から炉前室２３内まで後退させ、炉前室扉２４を閉鎖する。

（４）炉体扉７ｂを開放した後、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２を熱処理炉３内に投入する。これにより、耐熱容器２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。

（５）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。

（６）上記（１）〜（５）の処理を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（６２０℃）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。耐熱容器２の排気管２ｇから排出された２種類のガスは可燃性ガスであり熱処理炉３内で燃焼し、熱源として再利用される。

上記熱処理の際に、熱処理炉３内の温度は、ノズル１１を介して供給される空気の酸素量を調整することにより、耐熱容器２の排気管２ｇから熱処理炉３内に放出される可燃性ガスの燃焼量を制御し、温度計１３による測定値が所望の値又は範囲となるように制御する。この際、耐熱容器２の蓋２Ｂは、本体２ｎの周面に開口して斜め上方に突出する排気管２ｇを備えるため、電池パック５０の乾留時に有機化合物が激しく燃焼して燃焼ガスが排気管２ｇから噴出しても燃焼ガスが斜め上方に噴出するため、燃焼ガスによって熱処理炉３の内部の安定した渦燃焼が阻害されることがなく、炉床１７の近傍に設置した温度計１３によって炉全体の代表的な温度を測定することができ、熱処理炉３の安定運転を維持することができる。

一方、熱処理炉３の内部が正圧になると、熱処理炉３の開口部７ａから炉外に熱ガスが噴出し、熱処理炉３への耐熱容器２の投入及び排出が困難になるため、熱処理炉３の内部を負圧に維持する必要がある。そこで、圧力計１４の測定値に応じてダンパー３３を開閉して熱処理炉３の内部を所望の値又は範囲に維持する。例えば、電池パック５０の乾留時にリチウムイオン二次電池の有機化合物が激しく燃焼して熱処理炉の内部の圧力が急激に上昇したような場合でも、ダンパー３３を開いて迅速に圧力を逃がし、熱処理炉３の内部の負圧を維持する。ダンパー３３が熱処理炉３の天井部の近傍の排気管２８の内部に配置されているため、熱処理炉３の内部の圧力変化に迅速に対応することができる。

尚、熱処理炉３内の未燃焼ガスは二次燃焼室２７に導かれ、熱処理炉３の温度よりも高い温度（８００℃）で燃焼する。

（７）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７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を後退させて耐熱容器２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。

（８）次に、炉前室扉２４を開放した後、ベース移動装置２２を介して加熱処理済みの耐熱容器２が載置されたスライドベース２１をスタンド２５の位置まで前進させる。そして、この状態で炉前室扉２４を半分閉鎖し、スライドベース２１を元の位置に戻すと耐熱容器２は半分閉鎖状態の炉前室扉２４に当接してスタンド２５上に載せられる。そして、炉前室扉２４は全閉される。

（９）その後、スタンド２５の位置まで移動させられたスライドベース２１上の加熱処理済みの耐熱容器２は、移送コンベア（不図示）に載せられて冷却室（不図示）に運ばれる。尚、（８）で耐熱容器２が半分閉鎖状態の炉前室扉２４に当接することによって、移送コンベア上に載せられ自動的に搬送されるようにすることもできる。そして、その加熱処理済みの耐熱容器２の代わりにスライドベース２１上には、（２）で示したものと同様に、クレーン（不図示）を使用し、使用済みの８個の電池パック５０が格納された新たな耐熱容器２が設置され、（３）以下の処理が繰り返して行われる。

尚、熱処理炉３の炉床回転装置１９は正転、逆転が自由にできるため、炉床１７上にある８つの耐熱容器２は、投入した順序に限らず、外部に排出可能である。つまり熱処理炉３の壁面に複数のサイトホールを設置して炉内部の状態を確認しながら運転することにより、所定の処理時間が経過しても耐熱容器２の排気管２ｇより火炎が見えるような場合は、その次に投入した耐熱容器２を先に排出することにより滞りなく処理が行える。今後も新規に開発される様々な種類のリチウム電池は、熱処理時の挙動が異なることが予想されるが、出し入れが自由に行える熱処理炉３の機構により、挙動が不明なリチウム電池にも対応した、細かく処理時間を調整した運転方法も可能である。

冷却室に運ばれた加熱処理済みの耐熱容器２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。

以上のように構成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よれば、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てなる電池パック５０を、排気管２ｇが設けられた耐熱容器２に格納した後、熱処理炉３に投入して耐熱容器２の外側から加熱することで耐熱容器２内部の電池パック５０を乾留して炭化混合物を分離するので、電池パック５０の樹脂製の筐体やリチウムイオン電池の負極材料に使用されるカーボン等が炭化混合物として有用金属が含まれる金属から分離される。また、そのときの加熱温度は、炉温の制御範囲の上限が６５０℃を超えないよう６２０℃程度で、アルミニウムの融点（６６０℃）よりも低い温度でアルミニウムは溶けないように設定されているので、アルミニウムが溶け出した場合と比較して、その後の処理として有用金属が含まれる金属から有用金属を分離する処理を容易に行うことができる。

このとき、電池内の電解液は揮発し、耐熱容器２の排気管２ｇから揮発ガスが熱処理炉３内に排出されることで、耐熱容器２の内部は自然に還元雰囲気となり、従来技術のように還元ガスやカーボン源を導入しなくてもよいと共に、電池パック５０は還元雰囲気にした耐熱容器２によって保護されるので、熱処理炉３内で廃リチウムイオン電池が爆発する危険性を抑えることができる。また、プラスチック等の可燃性物質を燃焼させることはないので、温度暴走を防止することができ、しかも金属の酸化によるスラグ化も抑えるので、廃リチウムイオン電池を無害化することができる。

また、熱処理炉３から未燃焼ガスを二次燃焼室２７に導いて、熱処理炉３の温度よりも高い温度（８００℃）で燃焼させるようにしたので、臭気の発生を抑えることができる。

尚、本実施形態では、炉床１７が回転する熱処理炉３を使用することで均一的な加熱処理を行ったが、耐熱容器２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内部の電池パック５０を乾留して炭化混合物を分離することが可能な熱処理炉であれば、必ずしも炉床１７が回転するものでなくてもよい。また、熱処理炉３内に複数の耐熱容器２を連続して投入・排出するようにしたがバッチ式のものでも適用可能である。

また、熱処理炉３内の炉温は、制御できる範囲を考慮してアルミニウムが溶融しない範囲で極力高温である６５０℃にして処理時間を短くするようにできるが、加熱処理の温度は、プラスチックの分解温度（３００℃）以上であれば樹脂製材料は分解され金属から分離されるので特に限定されるものではない。但し、処理時間の関係から４００℃以上、より好ましくは５００℃以上が処理に適している。

さらに、電池パック５０を格納した耐熱容器２を酸化雰囲気下の熱処理炉３に投入して加熱処理するようしたが、還元雰囲気下あるいは不活性雰囲気下としても適用可能である。

また、加熱処理用の熱源としてガスを使用した熱処理炉３を使用したが、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る。また、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ることなどで熱エネルギーの有効利用を図ることができる。

さらに、熱処理炉３の排気管２８を介して排出されたガスを二次燃焼室２７に導入せずに、セメント調整装置のプレヒータの３５０℃以上の領域に導入することができる。これによって、二次燃焼室２７が不要となると共に、燃焼ガス中のフッ化物をセメント調合原料に捕捉させたり、ＶＯＣ（揮発性有機化合物）も燃焼させることができ、未燃焼ガスを無害化することもできる。電気炉での実験によれば、セメント調合原料によって燃焼ガス中のフッ化物濃度を約０．４％に、フッ化水素濃度を約０．４５％に低減することができ、炭化カルシウムを乾式処理剤として用いた場合の２０倍程度の低減効果がある。

また、電池セルを個々に取外すことなく電池パック５０をそのままの状態で加熱処理したが、電池パック５０から分解した電池モジュール（この場合も電池セルを個々に取外したものではない）単位の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く、これにより電池モジュール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させることができる。さらに、個々に取外した電池セルを加熱処理することもできる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

比較例として、上記斜め上方に突出する排気管２ｇ（図４等参照）及び上記ダンパー３３（図２参照）が設けられていない従来の処理装置において、熱処理炉３内の温度を５００℃に設定し、耐熱容器２の一つ当たりに、放電したリチウムイオン二次電池を１００ｋｇ投入すると共に、３７分３０秒毎に耐熱容器２を４つ処理装置１に投入する実験を行った。その結果、図８に示すように、投入後１時間程度で耐熱容器より激しく火炎が発生し、炉温は設定温度より５０℃以上上昇した。

一方、実施例として、上記構成を有する処理装置１において、熱処理炉３内の温度を４５０℃に設定し、耐熱容器２の一つ当たりに未放電のリチウムイオン二次電池を１００ｋｇ投入すると共に、３７分３０秒毎に耐熱容器２を連続的に投入する実験を行った。その結果、図９に示すように、投入後１時間程度で耐熱容器２より激しく火炎が発生したが、１２時間経過後も設定温度に対して±２５℃程度の範囲で炉温は安定して推移した。

上記実験により、実施例の方が炉内温度が安定するため、連続運転（２４時間運転）が可能となり、未放電のリチウムイオン二次電池の処理であっても、一日当たりの処理量を３ｔまで増加できた。一方、比較例では、未放電のリチウムイオン二次電池であった場合、耐熱容器への投入量を低減する必要があり、安定的な処理量は実施例の２０％（６００ｋｇ）〜５０％（１．５ｔ）程度であった。

１ 廃リチウムイオン電池の処理装置
２ 耐熱容器
２Ａ 容器本体
２Ｂ 蓋
２ａ 内筒
２ｂ 外筒
２ｃ 車輪
２ｄ 周面
２ｅ 取っ手
２ｆ ハンガー
２ｇ 排気管
２ｈ 天井面
２ｊ 溝部
２ｋ 下端
２ｍ 取っ手
２ｎ 本体
３ 熱処理炉
４ 容器搬送装置
４ａ プッシャー部
４ｂ プルアウト部
４ｃ 爪
７ 炉壁
７ａ 開口部
７ｂ 炉体扉
８（８Ａ〜８Ｄ） ガスバーナー
１１（１１Ａ〜１１Ｄ） ノズル
１３ 温度計
１４ 圧力計
１７ 炉床
１８ モーター
１９ 炉床回転装置
２１ スライドベース
２２ ベース移動装置
２２ａ モーター
２２ｂ シャフト
２３ 炉前室
２４ 炉前室扉
２５ スタンド
２７ 二次燃焼室
２８ 排気管
２８ａ 先端
２９ ファン
３０ ファン
３１ 煙突
３２ 温度計
３３ ダンパー
３４ ガスバーナー
５０ 電池パック

Claims (8)

1. リチウムイオン電池を格納し、斜め上方に突出する排気管を有する耐熱容器と、
   円筒状の炉壁を有し、該炉壁の内面に沿って水平方向に燃料を噴出するバーナーと、上面視円形の天井部の中心部に排気管と、上面視円形の炉床の近傍に温度計を有する熱処理炉と、
   該熱処理炉に前記耐熱容器を投入及び排出可能な容器搬送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。
2. 前記熱処理炉の天井部の近傍の排気管の内部に、該熱処理炉の内部の圧力を調整するためのダンパー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。
3. 前記熱処理炉の炉床を水平回転させる炉床回転装置を備え、
   前記容器搬送装置を介して、前記耐熱容器を連続的に投入して複数の耐熱容器を前記炉床上に環状に載置すると共に、一回りした前記耐熱容器を前記炉床上から連続的に排出す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。
4. リチウムイオン電池を格納し、斜め上方に突出する排気管を有する耐熱容器と、
   円筒状の炉壁を有し、該炉壁の内面に沿って水平方向に燃料を噴出するバーナーと、上面視円形の天井部の中心部に排気管と、上面視円形の炉床の近傍に温度計を有する熱処理炉と、
   該熱処理炉に前記耐熱容器を投入及び排出可能な容器搬送装置とを備える処理装置を用い、
   前記熱処理炉に投入された前記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前記バーナーで加熱して前記耐熱容器内部の前記リチウムイオン電池の負極材料を乾留して炭化混合物を分離すると共に、該電池内の電解液を揮発させて前記耐熱容器の排気管から前記熱処理炉内に排出させ、前記温度計を用いて該熱処理炉の内部の温度を調節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。
5. 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てなる電池パック又は前記電池モジュールを格納し、斜め上方に突出する排気管を有する耐熱容器と、
   円筒状の炉壁を有し、該炉壁の内面に沿って水平方向に燃料を噴出するバーナーと、上面視円形の天井部の中心部に排気管と、上面視円形の炉床の近傍に温度計を有する熱処理炉と、
   該熱処理炉に前記耐熱容器を投入及び排出可能な容器搬送装置とを備える処理装置を用い、
   前記熱処理炉に投入された前記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前記バーナーで加熱して前記耐熱容器内部の前記電池パック又は前記電池モジュールを乾留して炭化混合物を分離すると共に、該電池内の電解液を揮発させて前記耐熱容器の排気管から前記熱処理炉内に排出させ、前記温度計を用いて該熱処理炉の内部の温度を調節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。
6. 前記熱処理炉の天井部の近傍の排気管の内部に配置されたダンパーを用い、該熱処理炉の内部の圧力を調整することを特徴とする請求項４又は５に記載の廃リチウムイオン電池の処理方法。
7. 前記熱処理炉の内部の温度を４００℃以上６５０℃以下に調節することを特徴とする請求項４、５又は６に記載の廃リチウムイオン電池の処理方法。
8. 前記熱処理炉の排気管を介して排出されたガスをセメント調整装置のプレヒータの３５０℃以上の領域に導入することを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の廃リチウムイオン電池の処理方法。

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