JP7174652B2

JP7174652B2 - 廃リチウムイオン電池の処理装置

Info

Publication number: JP7174652B2
Application number: JP2019040341A
Authority: JP
Inventors: 充志中村; 健一本間; 泰之石田; 誠司福田; 泰裕浦田; 章宏大河内
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp; Matsuda Sangyo Co Ltd
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; Matsuda Sangyo Co Ltd
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2039-03-06
Also published as: JP2020143329A

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド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に関する。

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、セパレーター等で構成される。リチウムイオン電池は、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。そこで、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、篩分け、選別等による分離回収が行われている。

しかし、リチウムイオン電池の電解液には、電解質となるフッ素化合物（ＬｉＰＦ₆等）が含まれており、ＬｉＰＦ₆は水と反応すると加水分解して有毒なフッ化水素を発生する。そこで、特許文献１には、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筺体内に複数収納されてなる電池パックを排気口が設けられた耐熱容器に格納した後、耐熱容器を熱処理炉に投入して還元雰囲気下で３００℃～６５０℃で加熱することで、耐熱容器部の電池パック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化して耐熱容器の排気口から熱処理炉内に排出させることで、極めて簡易な作業で廃リチウムイオン電池をリサイクル処理する方法が開示されている。

一方、特許文献２には、廃リチウムイオン電池を処理する際に、揮発性のフッ素化合物（ＬｉＰＦ₆等）等を安全に処理するため、放電処理を行った後、安全弁を開口し、フッ素化合物を含む電解液の揮発成分を減圧下で加熱して気化させる気化工程、気化したガスに含まれるフッ素成分をカルシウムと反応させてフッ化カルシウムとして固定するフッ素固定工程等を備えるフッ素含有電解液の処理方法が記載されている。

特開２０１６－２２３９５号公報特開２０１３－２２９３２６号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２に記載の技術で加熱処理を行った後、大気下で自然冷却を行うと、加熱した廃リチウムイオン電池からフッ化水素、塩化水素等を含む有害なガスが発生する可能性があるため安全面で課題が残る。また、自然冷却に長時間を要するため、効率的な処理の妨げになっていた。さらに、廃リチウムイオン電池等に冷却水を噴霧して冷却し、発生した蒸気をセメント製造工程に導入すると、セメント製造工程での熱損失や、セメントクリンカの減産に繋がるおそれがあった。

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、安全かつ効率的に廃リチウムイオン電池を処理することができ、セメント製造工程に悪影響を与えることもない廃リチウムイオン電池の処理装置等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収容する耐熱容器と、該耐熱容器を加熱する熱処理炉と、該熱処理炉に前記耐熱容器を投入及び排出する容器搬送装置と、該容器搬送装置によって前記熱処理炉から排出された耐熱容器の下部を冷却水を用いて冷却する冷却装置と、該冷却装置で冷却中の耐熱容器を囲繞する冷却室の内部が負圧になるように制御する圧力制御装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、熱処理炉から排出された耐熱容器の下部を冷却水を用いて冷却するため、熱処理後の廃リチウムイオン電池を短時間で冷却することができ、効率的に廃リチウムイオン電池を処理することができる。また、前記冷却装置で冷却中の耐熱容器を囲繞する冷却室の内部が負圧になるように制御する圧力制御装置を備えることで、フッ化水素、塩化水素等を含む有害ガスが冷却室から放出されるのを防止することができる。

また、前記冷却室の排ガスをセメントキルンの排ガス処理系統に供給する排ガス処理装置を備えることができ、これによって、フッ化水素、塩化水素等を含む有害ガスをセメント製造工程内のセメント原料に固定化して無害化することができる。

さらに、前記耐熱容器の下部を冷却水で冷却した際に発生した水蒸気を系外に放出する経路を有することで、発生した蒸気をセメント製造工程に導入する必要がなく、セメント製造工程での熱損失や、セメントクリンカの減産を回避することができる。

以上のように、本発明によれば、安全かつ効率的に廃リチウムイオン電池を処理することができ、セメント製造工程に悪影響を与えることもない。

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２のＡ矢視図であって、炉前室及び冷却室等を示す概略図である。本発明に係る廃リチウムイオン電池の処理装置の冷却装置を示す全体構成図である。本発明に係る廃リチウムイオン電池の処理装置で用いる耐熱容器を示す縦断面図である。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。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。熱処理炉への耐熱容器の投入動作を説明するための概略図である。熱処理炉への耐熱容器の投入・排出動作を説明するための概略図である。熱処理炉への耐熱容器の投入・排出動作を説明するための概略図である。冷却室及び熱処理炉への耐熱容器の投入・排出動作を説明するための概略図である。冷却室からの耐熱容器の排出動作を説明するための概略図である。

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説明する。

図１～図３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と、熱処理後の耐熱容器２を冷却する冷却室３１等を備える。

熱処理炉３は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）によって燃焼用及び冷却用の空気Ａが炉内に供給される。熱処理炉３の炉床１７は、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。排気管２８の下流側には二次燃焼室、排気用の煙突等が設けられる。

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、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２ｐ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の真上に位置する。

開閉式の炉体扉７ｂに隣接して（図１において左方に）炉前室２３が設けられ、炉前室２３に隣接して（図３において右方に）冷却室３１が設けられる。熱処理炉３の接線方向（図１では上下方向に）搬送装置２９によって移動自在のスライドベース２１が設置され、スライドベース２１は、図３において、炉前室２３の左方空間と、開閉式の扉２４、２５を隔て炉前室２３及び冷却室３１の間を移動可能に構成される。尚、扉２５を設けずに炉前室２３及び冷却室３１を一つの室としてもよい。

冷却室３１は、開閉式の扉２５を隔てて炉前室２３に隣接し、内部には、図４に示すように、熱処理炉３から排出された耐熱容器２を冷却するための冷却装置３２が配置される。冷却装置３２は、耐熱容器２の冷却空間２ｃに冷却水を噴霧するための噴霧ノズル３３と、先端に噴霧ノズル３３を備える給水管３４と、給水管３４を内部に保持し、先端にパッキン３６を備えた排水管３５と、排水管３５を上下方向に移動させるエアシリンダ３７と、冷却水の量を調整するための流調弁３８と、給水管３４及び排水管３５に各々接続されるフレキシブルホース３９、４０とで構成され、フレキシブルホース３９に冷却水が供給され、フレキシブルホース４０から耐熱容器２の冷却で生じた蒸気が排出される。

また、冷却室３１の内部が負圧になるように制御する圧力制御装置（不図示）が設けられ、圧力制御装置は、冷却室３１の内部の圧力を測定する圧力計と、冷却室３１の排ガスを吸引する吸引装置と、前記圧力計の測定値が負圧になるように吸引装置を制御するコントローラ等を備える。さらに、冷却室３１の排ガスをセメントキルンの排ガス処理系統に供給する排ガス処理装置（不図示）が設けられる。

耐熱容器２は、図５～図７に示すように、容器本体２Ａと蓋２Ｂとで構成され、少なくとも６５０℃の耐熱温度を有する。また、耐熱容器２は、熱伝導の高い一般構造圧延鋼（ＳＳ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、銅合金等の金属合金が材料として好ましいが、廃ＬＩＢモジュールＭを回転炉で加熱する際の熱に耐えるため、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）等の少なくとも６５０℃の温度に耐えることができる材料からなることがより好ましい。

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の下方に位置する冷却空間２ｃと、冷却空間２ｃの底面視で中心部に位置する突出管２ｄと、外筒２ｂの底面に配置された複数の車輪２ｊと、外筒２ｂの周面２ｋに固定された２本の取っ手２ｅと、外筒２ｂの周面２ｋから突出するハンガー２ｐとで構成される。

一方、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。

次に、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。

熱処理炉３の内部を６５０℃に昇温し、クレーン等（不図示）を使用して、図８に示すように、電池パック５０を格納した耐熱容器２Ｎをスライドベース２１の右端部に載置する。扉２４を開放した後、搬送装置２９を介してスライドベース２１を右方に移動させ、耐熱容器２Ｎを炉体扉７ｂの正面まで移動させた後、扉２４を閉じて炉体扉７ｂを開放し、容器搬送装置４のプッシャー部４ａ（図７参照）を前進させて耐熱容器２Ｎを熱処理炉３内に投入する。これにより、耐熱容器２Ｎ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。

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。

上記動作をさらに、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（６５０℃）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。熱処理炉３内の未燃焼ガスは二次燃焼室に導かれ、熱処理炉３の温度（６５０℃）よりも高い温度（８００℃）で燃焼する。

耐熱容器２が熱処理炉３内で１周する前に、図９に示すように、電池パック５０を格納した新たな耐熱容器２Ｎを左端部に載置したスライドベース２１の右半分を炉前室２３に挿入する。この際、扉２４は閉じられている。

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２ｐに係止させる。そして、プルアウト部４ｂを後退させ、図１０に示すように、熱処理後の耐熱容器２Ｔ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。

次に、扉２４、２５を開放した後、スライドベース２１を右方に移動し、電池パック５０を格納した新たな耐熱容器２Ｎを炉体扉７ｂの正面まで移動させると共に、熱処理済みの耐熱容器２Ｔを冷却室３１に移動させて扉２４、２５を閉じる。この状態を図１１に示す。

図１１の状態から、新たな耐熱容器２Ｎを上述の要領で熱処理炉３内に投入して加熱すると共に、熱処理済みの耐熱容器２Ｔを冷却室３１で冷却する。冷却室３１において、図４に示すように、エアシリンダ３７で排水管３５を上昇させ、排水管３５の先端のパッキン３６に耐熱容器２の突出管２ｄを挿入する。その状態で、フレキシブルホース３９に冷却水を供給し、流調弁３８で冷却水の量を調整しながら給水管３４を経て噴霧ノズル３３から冷却水を耐熱容器２の冷却空間２ｃ内に万遍なく噴霧する。これによって、耐熱容器２の内筒２ａ内の電池パック５０が冷却される。電池パック５０を冷却することで生じた水蒸気は、耐熱容器２の突出管２ｄの内部を通過して排水管３５、フレキシブルホース４０を経て外部に排出される。尚、電池パック重量や加熱温度が変化した場合でも、流調弁３８で水の噴霧量を調整することで冷却時間を調整することができる。また、排出した水蒸気を凝縮させて冷却水として循環使用することもできる。

次に、扉２４、２５を開放した後、冷却済みの耐熱容器２Ｃが載置されたスライドベース２１を左方に移動させ（図１２参照）、クレーン等で次工程へ搬送する。

冷却後の加熱処理済みの耐熱容器２Ｃ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。

また、冷却室３１からのフッ化水素、塩化水素等を含む有害ガスは、排ガス処理装置によってセメントキルンの排ガス処理系統に供給し、セメント製造工程内のセメント原料に固定化して無害化する。

尚、熱処理炉３は、炉床１７が回転するものでなくてもよく、バッチ式のものでも適用可能である。また、耐熱容器２は熱処理炉３内で一周するものではなくてもよく、所定の時間を経過したものは熱処理炉３から排出してもよい。また、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、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てもよい。

また、本実施の形態では、電池パック５０を電池セルを個々に取外すことなくそのままの状態のものに対して加熱処理したが、電池パック５０から分解した電池モジュール単位のものや、電池セルを個々に取外した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い。

１廃リチウムイオン電池の処理装置
２耐熱容器
３熱処理炉
４容器搬送装置
７炉壁
８（８Ａ～８Ｄ）ガスバーナー
１１（１１Ａ～１１Ｄ）ノズル
１７炉床
１８モーター
１９炉床回転装置
２１スライドベース
２３炉前室
２４、２５扉
２８排気管
２９搬送装置
３１冷却室
３２冷却装置
３３噴霧ノズル
３４給水管
３５排水管
３６パッキン
３７エアシリンダ
３８流調弁
３９、４０フレキシブルホース
５０電池パック

Claims

廃リチウムイオン電池を収容する耐熱容器と、
該耐熱容器を加熱する熱処理炉と、
該熱処理炉に前記耐熱容器を投入及び排出する容器搬送装置と、
該容器搬送装置によって前記熱処理炉から排出された耐熱容器の下部を冷却水を用いて冷却する冷却装置と、
該冷却装置で冷却中の耐熱容器を囲繞する冷却室の内部が負圧になるように制御する圧力制御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。
前記冷却室の排ガスをセメントキルンの排ガス処理系統に供給する排ガス処理装置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。
前記耐熱容器の下部を冷却水で冷却した際に発生した水蒸気を系外に放出する経路を有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。