JP6994418B2 - 廃リチウムイオン電池の処理装置及び処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、廃リチウムイオン電池を処理する装置及び方法に関し、特に、定置用や民生用の廃リチウムイオン電池を処理する装置等に関する。
リチウムイオン電池（以下、適宜「ＬＩＢ」と略称する。）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、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。ＬＩＢは、発火やフッ化水素発生のリスクを有しているため、リサイクル技術の開発が急務となっている。また、ＬＩＢには、アルミニウム、リチウム、コバルト、ニッケル、銅等の有価金属が含まれているため、使用後廃棄されたＬＩＢ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のうち、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車載用のものについては、処理技術が確立されつつあるが、近年は定置用や民生用のＬＩＢの発生量も増えてきており、これらＬＩＢ全般の処理技術の確立が重要となっている。
自家用電源等として用いられる定置用や、電動自転車や電動工具等の電源として用いられる民生用のＬＩＢについては、想定している振動、衝撃等の暴露条件が車載用に比べて厳しくないため、電池の固定に使用される金属の量が少なく、樹脂の量が多いなどの特徴がある。これら定置用や民生用のＬＩＢにおいて、電池から手解体で樹脂を取り外そうとしても、残存電圧による感電リスク、電池損傷による内部の可燃性の電解液の漏出リスクなどから実施困難である。そこで、金属と樹脂の選別のための前処理技術の１つとして焙焼処理が提案されている。
上述のように、定置用や民生用のＬＩＢは、車載用に比べ、容器や電装部品、基板由来の樹脂の使用量が多いため、車載用と同じように焙焼処理すると、樹脂が融着して、排出、破砕、選別といった操作が困難となる。また、樹脂が融着すると、破砕・物理選別を行った際に、回収するベースメタルやレアメタルの品位が低下する。具体的には、ＬＩＢ電池のアルミフレーム等に樹脂が融着して、アルミニウムの品位が低下したり、破砕・選別して回収する微粒分のレアメタル（Ｌｉ等）が樹脂で希釈され品位が低下する。また、樹脂は代替燃料として利用可能であるが、他の産物に融着・混入するため、回収量や品位が低下する。
そこで、本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであって、樹脂の融着を防止してアルミニウム、レアメタル等の有価金属及び樹脂の回収量や品位を高く維持することのできる廃リチウムイオン電池の処理装置及び処理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、廃リチウムイオン電池を焙焼する焙焼炉と、該焙焼後の廃リチウムイオン電池を粉砕する自生粉砕機と、該自生粉砕機による粉砕物を樹脂を多く含む粉砕物と、金属を多く含む粉砕物に分離する選別機と、該選別機によって選別された金属を多く含む粉砕物を破砕する破砕機と、該破砕機による破砕物を箔状の銅やアルミニウムが濃縮した軽産物と塊状のアルミニウムが濃縮した重産物とに分離する、気流を用いた形状選別装置とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、焙焼炉による焙焼により、廃リチウムイオン電池に含まれる樹脂を分離し易くし、廃リチウムイオン電池を自生粉砕して廃リチウムイオン電池から効率よく樹脂を回収することができると共に、後段の処理で電池から有価金属を回収し易くなる。
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、廃リチウムイオン電池を焙焼し、該焙焼後の廃リチウムイオン電池を自生粉砕し、該自生粉砕によって得られた粉砕物を樹脂を多く含む粉砕物と、金属を多く含む粉砕物に分離し、該金属を多く含む粉砕物を破砕し、該破砕によって得られた破砕物を、気流を用いた形状選別装置によって、箔状の銅やアルミニウムが濃縮した軽産物と塊状のアルミニウムが濃縮した重産物とに分離することを特徴とする。本発明によれば、上述のように、焙焼により、廃リチウムイオン電池に含まれる樹脂を分離し易くし、廃リチウムイオン電池を自生粉砕して廃リチウムイオン電池から効率よく樹脂を回収することができると共に、後段の処理で電池から有価金属を回収し易くなる。
以上のように、本発明によれば、樹脂の融着を防止してアルミニウム、レアメタル等の有価金属及び樹脂の回収量や品位を高く維持することができる。
次に、本発明に係る廃リチウムイオン電池の処理装置及び処理方法の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。処理対象となる廃リチウムイオン電池は、樹脂を５質量％以上含むものであり、定置用や民生用のＬＩＢの多くが該当する。
定置用や民生用のＬＩＢとは、電動アシスト自転車、小型家電（ハンドクリーナー、ロボット掃除機、シェーバー、電動歯ブラシ、携帯ゲーム機等）、ＡＶ家電、ＯＡ機器、通信機器、医療機器、防災設備（ＡＥＤ等）、照明器具、電動工具等に用いられているＬＩＢである。
図１は、本発明に係る廃リチウムイオン電池の処理装置を示し、この処理装置１は、ＬＩＢを焙焼する焙焼炉２と、焙焼後のＬＩＢを粉砕する自生粉砕機３と、自生粉砕機３による粉砕物を樹脂を多く含む粉砕物Ｒ１と、金属を多く含む粉砕物Ｍ１に分離する１次選別機４と、金属を多く含む粉砕物Ｍ１を破砕する破砕機５と、破砕機５からの破砕物を樹脂Ｒ２と金属Ｍ２に分離する２次選別機６とを備える。尚、焙焼後の樹脂は、樹脂とは性質や物性が異なるものとなっているが、本発明では、便宜上樹脂とした。
焙焼炉２には、竪型炉、回転円筒炉、多段焙焼炉等を用いることができ、ＬＩＢを３５０℃以上６００℃以下で焙焼することができれば、炉の種類は問わない。
自生粉砕機３には、振動、転動、衝撃、落下等でＬＩＢの電池と樹脂を自生粉砕（破砕）する装置を用いる。この自生粉砕機３は、粉砕媒体を抜き出したボールミル等であって、焙焼後のＬＩＢ同士で粉砕するものである。また、自生粉砕機３と１次選別機４を一体化した装置として、トロンメル単体や、ロータリキルンと篩分け装置を組み合わせたものを用いてもよい。静止刃や回転刃を有する破砕機を用いると、電池の内部から極材粉が流出するなどの問題がある。
破砕機５は、竪型ローラーミルのような磨り潰し式より、カッティングミルのような切断式や、ハンマークラッシャのような衝撃式が好ましい。
１次及び２次選別機４、６は、風力選別、比重選別、渦電流選別、磁力選別及び篩分け選別を行う装置を単独で又は２つ以上を適宜組み合わせて構成することができる。
次に、上記構成を有する処理装置の動作について、図１を参照しながら説明する。
受け入れたＬＩＢを焙焼炉２で焙焼し、ＬＩＢに含まれる電池等を保護する樹脂を電池等から分離し易くした後、自生粉砕機３で粉砕し、電池等から樹脂を分離する。ここでの粉砕は、電池自体を粉砕する強さは必要なく、「電池」と、「電池を保護していた樹脂、電装部品、基板」とに分離できる程度のものでよい。
１次選別機４において、樹脂を多く含む粉砕物Ｒ１、すなわち「電池を保護していた樹脂、電装部品、基板」と、金属を多く含む粉砕物Ｍ１、すなわち「電池」とに分離する。この時点では電池はほとんど破砕されていないため、有価金属を回収することは困難である。次に、金属を多く含む粉砕物Ｍ１は、破砕機５に投入して破砕する。
一方、破砕機５では、電池自体を破砕し、２次選別機６において、破砕機５から排出される破砕物を樹脂Ｒ２と金属Ｍ２に分離する。回収した樹脂Ｒ２は、燃料等として再利用することができ、回収した金属Ｍ２は、極材粉、集電極（銅箔、アルミ箔等）、フレーム（アルミ屑等）等として特に風力選別によって回収することができ、これらには電池由来のアルミニウム、リチウム、コバルト、ニッケル、銅等の有価金属が含まれているため、粒径、質量、比重、磁性、導電性等を活用した選別により、適宜回収して再利用することができる。
上記２次選別機６では、気流を用いることにより、形状要素を大きく利用した選別を行うことができる。気流を用いた形状選別を行う装置としては、風力選別機、エアーテーブル等を挙げることができる。風力選別機には、吹上げ式、吸引式、密閉式があり、いずれにおいても選別機本体内に空気の流れを形成し、その空気流中に処理物を投入し、箔状で空気抵抗の大きいものは空気流と共に飛散して軽産物として捕集され、粒状物は空気抵抗に対して重力が勝り、落下して重産物として回収される。これにより、箔状の銅やアルミニウムは軽産物側に濃縮され、塊状のアルミニウムは重産物側に濃縮され、各々回収される。風力選別機、エアーテーブル以外でも、少なくとも気流を選別する対象物に当て、対象物の形状の相違に基づく気流中で受ける空気抵抗の違いを利用して対象物の選別を行うことができる装置であれば用いることができる。
尚、上記実施の形態においては、破砕機５及び２次選別機６を備えた処理装置１について説明したが、焙焼炉２、自生粉砕機３及び１次選別機４だけでも電池を保護していた樹脂を多く含む粉砕物Ｒ１を回収して燃料として有効利用することができ、破砕機５及び２次選別機６を省略することもできる。
重量約１４ｋｇ、縦１９０ｍｍ×横３７０ｍｍ×高さ１３０ｍｍの定置用ＬＩＢモジュールを４５０℃で６時間焙焼し、焙焼後の重量約１１ｋｇの定置用ＬＩＢモジュールをボールミルでボールを入れずに５分間自生粉砕した。ボールミル内部の容量の制約のため、この処理を３回実施して合計で３３．６２ｋｇの焙焼後の定置用ＬＩＢモジュールを自生粉砕した。その結果を表１に示す。尚、ボールミルの仕様は以下の通りである。
装置寸法：ミル内寸法Φ５００ｍｍ×Ｌ３００ｍｍ、ミル容積６０Ｌ
回転数：４６ｒｐｍ
定格出力：３．７ｋＷ
装置寸法：ミル内寸法Φ５００ｍｍ×Ｌ３００ｍｍ、ミル容積６０Ｌ
回転数：４６ｒｐｍ
定格出力：３．７ｋＷ
比較例として、実施例と同様に焙焼した定置用ＬＩＢモジュール３３．５２ｋｇを２軸せん断破砕機により５分間せん断破砕した。その結果を表２に示す。尚、２軸せん断破砕機の仕様は以下の通りである。
破砕室寸法：Ｌ４３０ｍｍ×Ｗ４３０ｍｍ
カッターサイズ：Φ２３０ｍｍ×幅２０ｍｍ
回転数：４６ｒｐｍ
定格出力：５．５ｋＷ
破砕室寸法：Ｌ４３０ｍｍ×Ｗ４３０ｍｍ
カッターサイズ：Φ２３０ｍｍ×幅２０ｍｍ
回転数：４６ｒｐｍ
定格出力：５．５ｋＷ
表１において、＜１ｍｍは、上記樹脂を多く含む粉砕物Ｒ１の細粒、すなわち「電池を保護していた樹脂」であり、１－５０ｍｍは、上記樹脂を多く含む粉砕物Ｒ１の粗粒、すなわち「電装部品及び基板」であり、５０ｍｍ＜は、上記金属を多く含む粉砕物Ｍ１、すなわち「電池」である。ここで、＜１ｍｍの回収率は全体の６％程度であるが、リチウム等の有価金属の含有量が少なく、総発熱量が高いため、燃料価値が高い。本実施例では、篩の目開きを１ｍｍとしたが、１－５０ｍｍの回収物は少量であるので、１次選別として篩分け選別を行う場合は、目開きを１－５０ｍｍの間で設定して選別すれば、燃料価値が高い焙焼された樹脂が得られることが判る。また、粉砕時間は５分としたが、３０分とした場合も＜１ｍｍの回収率はほとんど増えなかった。したがって、自生粉砕機は回収される樹脂の量がほぼ飽和して、ほとんど回収されなくなったら停止すればよい。
表２において、せん断破砕を行った場合の＜１ｍｍの回収物は金属が多く含まれており、総発熱量が低いために燃料としての価値も低い。
１ 廃リチウムイオン電池の処理装置
２ 焙焼炉
３ 自生粉砕機
４ １次選別機
５ 破砕機
６ ２次選別機
２ 焙焼炉
３ 自生粉砕機
４ １次選別機
５ 破砕機
６ ２次選別機
Claims (2)
- 廃リチウムイオン電池を焙焼する焙焼炉と、
該焙焼後の廃リチウムイオン電池を粉砕する自生粉砕機と、
該自生粉砕機による粉砕物を樹脂を多く含む粉砕物と、金属を多く含む粉砕物に分離する選別機と、
該選別機によって選別された金属を多く含む粉砕物を破砕する破砕機と、
該破砕機による破砕物を箔状の銅やアルミニウムが濃縮した軽産物と塊状のアルミニウムが濃縮した重産物とに分離する、気流を用いた形状選別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。 - 廃リチウムイオン電池を焙焼し、
該焙焼後の廃リチウムイオン電池を自生粉砕し、
該自生粉砕によって得られた粉砕物を樹脂を多く含む粉砕物と、金属を多く含む粉砕物に分離し、
該金属を多く含む粉砕物を破砕し、
該破砕によって得られた破砕物を、気流を用いた形状選別装置によって、箔状の銅やアルミニウムが濃縮した軽産物と塊状のアルミニウムが濃縮した重産物とに分離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。
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