JP7256693B2 - 廃リチウムイオン電池の処理システム - Google Patents
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Description
本発明は、廃リチウムイオン電池の処理システムに関する。
リチウムイオン電池(ＬＩＢ)は、電気自動車、携帯電話、ノートパソコン等に多用されている。リチウムイオン電池は、正極材、負極材、電解液、セパレータなどから構成されている。正極材は、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウムなどの正極活物質がフッ素系バインダによってアルミニウム箔に固着されて形成されている。負極材は、黒鉛などの負極活物質がフッ素系バインダによって銅箔に固着されて形成されている。
使用済みリチウムイオン電池等の廃棄するリチウムイオン電池（廃リチウムイオン電池）から、コバルト、ニッケル、マンガン、リチウム等の有用金属を回収するために、電解液の無害化（分解除去）、およびセパレータやバインダ等の可燃物の減容化を目的とした、加熱処理が行われている。
電気自動車等に使用された大型の廃リチウムイオン電池では、電池セルが複数個組み合わされた電池モジュールの形態、及び、電池モジュールが複数個組み合わされた電池ユニットの形態をなしている。
このような大型の廃リチウムイオン電池は、通常、人手によって解体されてから、焙焼（加熱）、選別等が行われて有用金属が回収されている。このような場合、大型の廃リチウムイオン電池を解体するために多くの時間と労力を費やすことになる。また、廃リチウムイオン電池では低引火点の電解液が入っているため、短絡すると発火・爆発の危険がある。
一方、特許文献１には、１か所に炉体扉が設けられた円形の熱処理炉を備え、複数個のリチウムイオン電池からなる電池モジュールまたは電池ユニット（電池パック）が格納された耐熱容器を、順次、炉体扉を開閉して一定温度に設定された熱処理炉へ投入して加熱処理し、順次、炉体扉を開閉して熱処理炉から耐熱容器を排出させるようにした構成が記載されている。
特許文献１の構成では、電池モジュールまたは電池ユニットからなる大型の廃リチウムイオン電池を加熱処理することができるが、一つの炉体扉を介して耐熱容器を熱処理炉へ投入及び排出させる構成であるので、加熱処理の効率化を図る上で改善の余地がある。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、加熱処理の効率化を図ることが可能になるとともに、大型の廃リチウムイオン電池を解体することなく加熱処理することができる廃リチウムイオン電池の処理システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明のある態様に係る廃リチウムイオン電池の処理システムは、廃リチウムイオン電池に含まれる電解液を分解除去するために前記廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行う加熱装置を備えている。
この構成によれば、加熱装置によって廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行うことにより、電解液を分解除去し、電解液を無害化できる。ここで、加熱ガスに燃焼ガスなどの低酸素ガス（酸素濃度１０％以下、好ましくは５％以下）を用いることで、電解液等の発火・爆発を防止でき、加熱装置の大型化が容易となり、加熱処理の効率化を図ることが可能になるとともに、大型の廃リチウムイオン電池を解体することなく加熱処理することができる。
また、前記加熱装置による前記廃リチウムイオン電池の加熱温度は、１５０℃以上、２５０℃以下であってもよい。
また、前記加熱装置は、前記廃リチウムイオン電池を一方向へ搬送しながら加熱処理を行うグレートプレヒータで構成されていてもよい。
このように、加熱装置をグレートプレヒータで構成することにより、廃リチウムイオン電池を搬送しながら連続的に加熱処理を行うことができるため、加熱処理の効率化を図ることができる。
また、前記加熱装置によって加熱処理された前記廃リチウムイオン電池を破砕する破砕機をさらに備えていてもよい。
この構成によれば、電解液が分解除去（無害化）された後の廃リチウムイオン電池を破砕機で破砕するため、安全性を確保して破砕できるとともに、後段の焙焼装置において、熱交換性を向上させ、処理時間の短縮を図ることが可能となる。
また、前記破砕機によって破砕された前記廃リチウムイオン電池に対して、還元雰囲気または低酸素雰囲気中で４００℃以上、６６０℃未満の加熱温度による加熱処理を行う焙焼装置をさらに備えていてもよい。
この構成によれば、セパレータ及びバインダ等の有機物を分解し、かつ、正極材に使用されているアルミニウムが溶けない温度（４００℃以上、６６０℃未満）での加熱処理を、破砕されてサイズが小さくなった廃リチウムイオン電池に対して行うことにより、熱交換性を向上させ、処理時間の短縮を図ることができる。また、焙焼装置の小型化を図ることもできる。
また、前記焙焼装置は、内部が還元雰囲気または低酸素雰囲気とされて外壁が加熱される円筒体を有し、前記円筒体を回転させることにより、前記円筒体の一端の受入口から受け入れた廃リチウムイオン電池を前記円筒体の他端の排出口へ向けて前記円筒体内を搬送し前記排出口から排出する外熱式ロータリーキルンで構成されていてもよい。
このように、焙焼装置を外熱式ロータリーキルンで構成することにより、廃リチウムイオン電池の受入排出処理を連続的に行うことができるため、加熱処理の効率化を図ることができる。
また、上記廃リチウムイオン電池の処理システムにおいて、前記加熱装置によって加熱処理された前記廃リチウムイオン電池を破砕する破砕機と、前記破砕機によって破砕された前記廃リチウムイオン電池に対して、正極集電体から正極活物質を分離させて前記正極活物質を選別する選別機と、前記選別機によって選別された前記正極活物質に対して、還元雰囲気または低酸素雰囲気中で５００℃以上の加熱温度による加熱処理を行う焙焼装置と、をさらに備えていてもよい。
この構成によれば、加熱装置で加熱処理を行った廃リチウムイオン電池を、破砕機で細かく破砕し、選別機で正極活物質を選別し、それを焙焼装置で加熱処理するようにしているので、焙焼装置のより小型化が可能になるとともに、外装ケースや集電体など余分なものを加熱しないため熱消費を抑えられる。また、温度を上げると溶融するアルミニウムの集電体を焙焼前に除去するので、焙焼温度の上限を設けなくて良くなる。
また、上記廃リチウムイオン電池の処理システムにおいて、前記加熱装置によって加熱処理された前記廃リチウムイオン電池を破砕しながら、前記廃リチウムイオン電池の正極集電体から正極活物質を分離させて前記正極活物質を選別する破砕選別機と、前記破砕選別機によって選別された前記正極活物質に対して、還元雰囲気または低酸素雰囲気中で５００℃以上の加熱温度による加熱処理を行う焙焼装置と、をさらに備えていてもよい。
この構成によれば、加熱装置で加熱処理を行った廃リチウムイオン電池を、破砕選別機で細かく破砕しながら、正極活物質を選別し、それを焙焼装置で加熱処理するようにしているので、焙焼装置のより小型化が可能になるとともに、外装ケースや集電体など余分なものを加熱しないため熱消費を抑えられる。また、温度を上げると溶融するアルミニウムの集電体を焙焼前に除去するので、焙焼温度の上限を設けなくて良くなる。
また、前記焙焼装置は、前記廃リチウムイオン電池が前記正極活物質にリチウム、ニッケル、コバルト及びマンガンを含む場合には還元雰囲気中で加熱処理を行うよう構成され、前記廃リチウムイオン電池が前記正極活物質にリチウム、鉄及びリンを含む場合には低酸素雰囲気中で加熱処理を行うよう構成されていてもよい。
このように、廃リチウムイオン電池の正極活物質に含まれる成分に応じて焙焼装置の内部雰囲気を設定することにより、後工程においてリチウムを回収する際にリチウムの回収率を向上させることができる。
また、本発明のある態様に係る廃リチウムイオン電池の処理方法は、廃リチウムイオン電池に含まれる電解液を分解除去するために前記廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行う加熱工程と、前記加熱工程によって加熱処理された前記廃リチウムイオン電池を破砕する破砕工程と、前記破砕工程によって破砕された前記廃リチウムイオン電池に対して、還元雰囲気または低酸素雰囲気中で４００℃以上、６６０℃未満の加熱温度による加熱処理を行う焙焼工程と、を含んでいる。
この方法によれば、加熱工程で廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行うことにより、電解液を分解除去し、電解液を無害化できる。ここで、加熱ガスに燃焼ガスなどの低酸素ガス（酸素濃度１０％以下、好ましくは５％以下）を用いることで、電解液等の発火・爆発を防止でき、加熱工程で用いる加熱装置の大型化が容易となり、加熱処理の効率化を図ることが可能になるとともに、大型の廃リチウムイオン電池を解体することなく加熱処理することができる。次に、破砕工程において、電解液が分解除去された後の廃リチウムイオン電池を破砕するため、安全性を確保して破砕できる。次に、焙焼工程において、破砕されてサイズが小さくなった廃リチウムイオン電池に対して加熱処理を行うことにより、熱交換性を向上させ、処理時間の短縮を図ることができる。
また、本発明のある態様に係る廃リチウムイオン電池の処理方法は、廃リチウムイオン電池に含まれる電解液を分解除去するために前記廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行う加熱工程と、前記加熱工程によって加熱処理された前記廃リチウムイオン電池を破砕する破砕工程と、前記破砕工程によって破砕された前記廃リチウムイオン電池に対して、正極集電体から正極活物質を分離させて前記正極活物質を選別する選別工程と、前記選別工程によって選別された前記正極活物質に対して、還元雰囲気または低酸素雰囲気中で５００℃以上の加熱温度による加熱処理を行う焙焼工程と、を含んでいる。
この方法によれば、加熱工程で廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行うことにより、電解液を分解除去し、電解液を無害化できる。ここで、加熱ガスに燃焼ガスなどの低酸素ガス（酸素濃度１０％以下、好ましくは５％以下）を用いることで、電解液等の発火・爆発を防止でき、加熱工程で用いる加熱装置の大型化が容易となり、加熱処理の効率化を図ることが可能になるとともに、大型の廃リチウムイオン電池を解体することなく加熱処理することができる。そして、加熱工程で加熱処理を行った廃リチウムイオン電池を、破砕工程で細かく破砕し、選別工程で正極活物質を選別し、それを焙焼工程で加熱処理するようにしているので、焙焼工程で用いる焙焼装置の小型化が可能になるとともに、外装ケースや集電体など余分なものを加熱しないため熱消費を抑えられる。また、温度を上げると溶融するアルミニウムの集電体を焙焼前に除去するので、焙焼温度の上限を設けなくて良くなる。
また、本発明のある態様に係る廃リチウムイオン電池の処理方法は、廃リチウムイオン電池に含まれる電解液を分解除去するために前記廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行う加熱工程と、前記加熱工程によって加熱処理された前記廃リチウムイオン電池を破砕しながら、前記廃リチウムイオン電池の正極集電体から正極活物質を分離させて前記正極活物質を選別する破砕選別工程と、前記破砕選別工程によって選別された前記正極活物質に対して、還元雰囲気または低酸素雰囲気中で５００℃以上の加熱温度による加熱処理を行う焙焼工程と、を含んでいる。
この方法によれば、加熱工程で廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行うことにより、電解液を分解除去し、電解液を無害化できる。ここで、加熱ガスに燃焼ガスなどの低酸素ガス（酸素濃度１０％以下、好ましくは５％以下）を用いることで、電解液等の発火・爆発を防止でき、加熱工程で用いる加熱装置の大型化が容易となり、加熱処理の効率化を図ることが可能になるとともに、大型の廃リチウムイオン電池を解体することなく加熱処理することができる。そして、加熱工程で加熱処理を行った廃リチウムイオン電池を、破砕選別工程で細かく破砕しながら、正極活物質を選別し、それを焙焼工程で加熱処理するようにしているので、焙焼工程で用いる焙焼装置の小型化が可能になるとともに、外装ケースや集電体など余分なものを加熱しないため熱消費を抑えられる。また、温度を上げると溶融するアルミニウムの集電体を焙焼前に除去するので、焙焼温度の上限を設けなくて良くなる。
本発明は、以上に説明した構成を有し、加熱処理の効率化を図ることが可能になるとともに、大型の廃リチウムイオン電池を解体することなく加熱処理することができる廃リチウムイオン電池の処理システムを提供することができるという効果を奏する。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の一例の廃リチウムイオン電池の処理システムの概略を示す模式図である。
図１は、第１実施形態の一例の廃リチウムイオン電池の処理システムの概略を示す模式図である。
この廃リチウムイオン電池の処理システムＡは、大型の廃リチウムイオン電池（廃ＬＩＢ）、すなわち、廃リチウムイオン電池の電池セルが複数個組み合わされた電池モジュール、及び、電池モジュールが複数個組み合わされた電池ユニットを対象とするものである。電池ユニットは、例えば、電気的に接続された複数個の電池モジュール、制御装置及び冷却装置が筺体内に収納されて構成されている。この処理システムＡは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載された廃リチウムイオン電池を取り外して、その取り外したままの状態の廃リチウムイオン電池（電池ユニット）を解体することなく処理するものである。
この処理システムＡは、供給装置１と、加熱装置２と、破砕機３と、焙焼装置４とを備えている。
供給装置１は、例えば、搬送コンベアで構成されている。例えば、作業者が、処理する廃リチウムイオン電池を搬送コンベア（供給装置１）へ順次載せると、この搬送コンベアによって一方向へ搬送され、その搬送端から加熱装置２へ順次供給される。
加熱装置２は、本例では公知のグレートプレヒータで構成されている。グレートプレヒータは、装置本体（筐体）２０の内部に、スリット状に多数の穴が設けられた耐熱鋳鋼製の複数の格子板２１をエンドレスチェーンによってリング状に連結し、エンドレスチェーンを回転させることにより、複数の格子板２１を周回移動させる機構を備えている。これにより、加熱装置２は、供給装置１から供給される廃リチウムイオン電池を格子板２１上に載せて一方向（矢印ａの方向）へ搬送し、その搬送端から排出するよう構成されている。そして、外部から装置本体２０の内部へ供給される加熱ガスによって被搬送物である廃リチウムイオン電池が加熱されるよう構成されている。
破砕機３は、例えばロールクラッシャーで構成され、大型の廃リチウムイオン電池（電池ユニットまたは電池モジュール）を電池セル程度の大きさに破砕するよう構成されている。
上記の加熱装置２及び破砕機３は、後段の焙焼装置４に対する前処理設備である。
焙焼装置４は、本例では外熱式ロータリーキルンで構成されている。外熱式ロータリーキルンは、中心軸を中心に回転する円筒体４１と、円筒体４１の外周を包囲するように設けられた加熱ジャケット４２とを備えている。円筒体４１は、一端を受入口４１ａ、他端を排出口４１ｂとし、受入口４１ａから排出口４１ｂに向けて下り傾斜となるように所定角度の傾斜をもって回転可能に支持され、その中心軸を中心に回転するよう構成されている。破砕機３から円筒体４１の受入口４１ａへ供給される廃リチウムイオン電池は、円筒体４１が回転することにより排出口４１ｂへ向けて移送（搬送）される。円筒体４１の内部は還元雰囲気または低酸素雰囲気（酸素濃度１０％以下）とされている。そして、円筒体４１の外周を包囲する加熱ジャケット４２に加熱ガスが供給されることにより、円筒体４１の外壁が加熱されて、円筒体４１の内部を搬送される廃リチウムイオン電池が還元雰囲気または低酸素雰囲気下で加熱処理され、排出口４１ｂから焙焼産物となって排出される。
加熱ジャケット４２には、加熱ガスの供給口及び排出口が設けられ、例えば、熱風炉から高温（例えば５５０℃）の加熱ガスが上記供給口から送りこまれる。また、上記排出口から排出される加熱ガスは、加熱装置２へ供給される。加熱装置２には、その装置本体２０に加熱ガスの供給口及び排出口が設けられている。加熱ジャケット４２から排出された加熱ガスは、所定温度（例えば２００℃）となるように、必要に応じて冷却されてから、加熱装置２の供給口からその内部へ供給される。そして、加熱装置２の排出口から排出されるガスは排ガス処理設備へ送られて処理される。このように加熱装置２において、焙焼装置４の排ガスを用いることにより、省エネルギー化が図れる。
次に、この処理システムＡによる廃リチウムイオン電池の処理の流れについて説明する。例えば、作業者によって、電池ユニットまたは電池モジュールからなる大型の廃リチウムイオン電池が供給装置１へ順次供給される。供給装置１は供給された廃リチウムイオン電池を一方向へ搬送して加熱装置２へ供給する。
加熱装置２では、廃リチウムイオン電池を一方向へ搬送しながら２００℃程度の加熱ガスによって加熱処理する。これにより、廃リチウムイオン電池に含まれる電解液を分解除去し、電解液を無害化することができる。この加熱装置２での加熱処理は、低酸素雰囲気（酸素濃度１０％以下、好ましくは５％以下）で行われることにより、電解液の発火・爆発を防止できる。また、加熱装置２としてグレートプレヒータのような装置を用いることができ、加熱装置２の大型化が容易である。
そして、加熱装置２で電解液が無害化された廃リチウムイオン電池は、破砕機３へ供給され、破砕機３で電池セル程度の大きさに破砕された後、焙焼装置４へ供給される。
焙焼装置４の受入口４１ａに供給された廃リチウムイオン電池は、円筒体４１が回転することにより排出口４１ｂへ向けて搬送されながら加熱処理されて焙焼産物となり、排出口４１ｂから排出される。焙焼装置４では、後工程においてコバルト等の有用金属を回収しやすくするためには、セパレータ及びバインダ等の有機物を分解できる温度（例えば４００℃以上）にすることが必要である。一方、正極材に使用されているアルミニウムが溶けない温度すなわちアルミニウムの融点（６６０℃）より低い温度にすることが必要である。よって、加熱温度は、４００℃以上で、かつ、アルミニウムの融点（６６０℃）よりも低い温度とすればよい。
焙焼装置４から排出された焙焼産物は、さらに破砕処理された後、選別等の処理がなされて、銅、アルミニウム、コバルト、ニッケル、マンガン、リチウム等の有用金属が抽出される。
本実施形態の廃リチウムイオン電池の処理システムＡでは、廃リチウムイオン電池に４００℃以上の加熱処理を行う前に、廃リチウムイオン電池に含まれる電解液を分解除去するために廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行う加熱装置２を備えている。この加熱装置２によって廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行うことにより、電解液を分解除去し、電解液を無害化できる。ここで、加熱ガスに低酸素ガスを用いることで、電解液等の発火・爆発を防止でき、加熱装置２としてグレートプレヒータのような装置を用いることができるので、加熱装置２の大型化が容易となり、加熱処理の効率化を図ることが可能になるとともに、大型の廃リチウムイオン電池を解体することなく加熱処理することができる。
なお、加熱装置２では、電解液を分解除去するために１５０℃以上の加熱温度とする必要がある。よって、加熱装置２による加熱温度は、１５０℃以上、４００℃未満であればよく、１５０℃以上、２５０℃以下としてもよい。
ここで、加熱装置２としてグレートプレヒータを用いることにより、廃リチウムイオン電池を搬送しながら連続的に加熱処理を行うことができるため、加熱処理の効率化を図ることができる。
また、加熱装置２で電解液が分解除去（無害化）された後の廃リチウムイオン電池を破砕機３で破砕することにより、安全性を確保して破砕できる。
次に、焙焼装置４において、４００℃以上、６６０℃未満での加熱処理が行われるが、破砕機３で破砕されてサイズが小さくなった廃リチウムイオン電池に対して加熱処理が行われるので、熱交換性が向上され、処理時間の短縮を図ることができる。また、焙焼装置４の小型化を図ることもできる。
ここで、焙焼装置４として、外熱式ロータリーキルンを用いることにより、廃リチウムイオン電池の受入排出処理を連続的に行うことができるため、加熱処理の効率化を図ることができる。
図１に示す処理システムＡによる廃リチウムイオン電池の処理方法は、加熱装置２による加熱工程と、破砕機３による破砕工程と、焙焼装置４による焙焼工程とを含んでいる。
なお、第１実施形態の処理システムＡでは、電池モジュール及び電池ユニットを処理対象とするものとして説明したが、廃リチウムイオン電池の電池セルを処理対象とすることも可能である。
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の一例の廃リチウムイオン電池の処理システムの概略を示す模式図である。図２において、図１と同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する場合がある。
図２は、第２実施形態の一例の廃リチウムイオン電池の処理システムの概略を示す模式図である。図２において、図１と同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する場合がある。
第２実施形態では、図２に示す廃リチウムイオン電池の処理システムＢを用い、焙焼産物から抽出される有用金属のうち、特に正極活物質に含まれるリチウムの回収率の向上を図ることができる構成についても説明する。廃リチウムイオン電池は、電池ケースとなる外装材、正極材、負極材、電解液、セパレータなどから構成されている。正極材は、正極活物質がバインダによって正極集電体（例えばアルミニウム箔）に固着されて形成されている。正極活物質としては、リチウムを含む酸化物が用いられている。負極材は、黒鉛などの負極活物質がバインダによって負極集電体（例えば銅箔）に固着されて形成されている。バインダとしては、ＰＴＦＥまたはＰＶＤＦ等の樹脂が用いられている。
図２に示す処理システムＢは、供給装置１と、加熱装置２と、破砕機３と、選別機５と、焙焼装置４とを備えている。ここで、供給装置１、加熱装置２、破砕機３及び焙焼装置４は、図１と同様のものを用いて構成することができる。但し、破砕機３は、図１の場合と同様、例えばロールクラッシャーで構成することができるが、図１の場合には、大型の廃リチウムイオン電池（電池ユニットまたは電池モジュール）を電池セル程度の大きさに破砕するものとしたが、図２の場合には、電池セルよりも小さい大きさに破砕できるよう構成されている。
選別機５は、破砕機３によって破砕された廃リチウムイオン電池に対して、正極集電体から正極活物質を分離させて正極活物質を選別して取り出せるように構成されている。選別機５としては、例えば、適切な見開き（例えば数ｍｍ程度の見開き）の篩上に直径２０～３０ｍｍ程度の複数のアルミナボールを入れた篩振盪機などを用いることができる。このようにアルミナボールを用いることにより、振動するアルミナボールによって正極材及び負極材に対して部分的に多数の衝撃を与え、正極及び負極集電体から活物質の剥離（分離）を促進し、細かくなった正極及び負極活物質を篩下へ落とすことができる。よって、実際には選別機５によって正極活物質だけでなく負極活物質等（活物質以外の不純物も少量含まれる）が篩下に取り出されて焙焼装置４へ供給され、これら以外の廃リチウムイオン電池の外装材や集電体等は別の処理設備（図示せず）へ送られる。
なお、選別機５から焙焼装置４への活物質等の供給は、例えばロータリーフィーダを介して行うように構成することができる。また、焙焼装置４から有用金属抽出設備への焙焼産物の供給は、例えばダブルフラップダンパを介して行うように構成することができる。
本実施形態では、焙焼装置４には主に正極活物質及び負極活物質が供給されるだけなので、焙焼装置４の小型化が可能である。また、焙焼装置４では、集電体（アルミニウム箔等）が供給されないので、集電体の脆化を考慮することなく加熱処理を行うことができる。
次に、この処理システムＢによる廃リチウムイオン電池の処理の流れについて説明する。この処理システムＢは、電池ユニットまたは電池モジュールからなる大型の廃リチウムイオン電池だけでなく、電池セルも処理対象とすることができる。例えば、作業者によって、電池セル、電池ユニットまたは電池モジュールからなる廃リチウムイオン電池が供給装置１へ順次供給される。供給装置１は供給された廃リチウムイオン電池を一方向へ搬送して加熱装置２へ供給する。
加熱装置２では、廃リチウムイオン電池を一方向へ搬送しながら加熱ガスによって１５０℃以上、４００℃未満の加熱温度で加熱処理する。これにより、廃リチウムイオン電池に含まれる電解液を分解除去し、電解液を無害化することができる。この加熱装置２での加熱処理は、低酸素雰囲気（酸素濃度１０％以下、好ましくは５％以下）で行われることにより、電解液の発火・爆発を防止できる。
そして、加熱装置２で電解液が無害化された廃リチウムイオン電池は、破砕機３へ供給され、破砕機３で電池セルよりも小さい大きさに破砕された後、選別機５へ供給される。そして、選別機５では前述のように正極活物質及び負極活物質が選別され、これらが焙焼装置４へ供給される。
焙焼装置４の受入口４１ａに供給された正極活物質及び負極活物質は、円筒体４１が回転することにより排出口４１ｂへ向けて搬送されながら加熱処理されて焙焼産物となり、排出口４１ｂから排出される。ここでの焙焼装置４は、還元雰囲気（例えばＣＯ濃度１％）または低酸素雰囲気（例えばＯ２濃度１～５％）中で５００℃以上の加熱温度による加熱処理を行うよう構成されている。
焙焼装置４から排出された焙焼産物は、リチウム等の有用金属を抽出する有用金属抽出設備へ供給されて、リチウム等の有用金属が抽出（回収）される。
〔リチウム溶出試験〕
この処理システムＢを模擬した試験装置を用いて焙焼産物を生成し、この焙焼産物からリチウムを溶出させるリチウム溶出試験を行った。
この処理システムＢを模擬した試験装置を用いて焙焼産物を生成し、この焙焼産物からリチウムを溶出させるリチウム溶出試験を行った。
また、ここでは、処理対象のリチウムイオン電池として２種類（ＮＣＭ系とＬＦＰ系）の各１個の電池について、それぞれ焙焼条件（焙焼装置４における内部雰囲気、加熱温度）を変更した場合についてのリチウム溶出試験を行った。このリチウム溶出試験では、マグネチックスターラーを用いて、水を入れた容器に焙焼産物を浸漬して攪拌し、適宜硫酸を加えてｐＨ（水素イオン指数）の調整を行ってリチウム溶出液を生成した。また、ＮＣＭ系とＬＦＰ系のいずれの電池の場合も、加熱装置２における加熱条件は、雰囲気ガスとして低酸素ガス（Ｏ２濃度５％）を用い、加熱温度を２５０℃とした。
なお、ＮＣＭ系の電池は、正極活物質にリチウム、ニッケル、コバルト及びマンガンを含む電池である。ＬＦＰ系の電池は、正極活物質にリチウム、鉄及びリンを含む電池である。いずれの電池も、正極集電体にはアルミニウム箔が用いられ、負極活物質には黒鉛、負極集電体には銅箔が用いられている。
〔リチウム溶出試験結果〕
ＮＣＭ系の電池の場合、低酸素雰囲気（Ｏ２濃度１％）中で５７０℃の加熱温度で焙焼した焙焼産物についてのリチウムの溶出率は５５％であった。一方、還元雰囲気（ＣＯ濃度１％）中で５７０℃の加熱温度で焙焼した焙焼産物についてのリチウムの溶出率は８５％であった。
ＮＣＭ系の電池の場合、低酸素雰囲気（Ｏ２濃度１％）中で５７０℃の加熱温度で焙焼した焙焼産物についてのリチウムの溶出率は５５％であった。一方、還元雰囲気（ＣＯ濃度１％）中で５７０℃の加熱温度で焙焼した焙焼産物についてのリチウムの溶出率は８５％であった。
このようにＮＣＭ系の電池の場合、低酸素雰囲気中で焙焼するよりも還元雰囲気中で焙焼した方が、高い溶出率が得られた。また、加熱温度を５２０℃とした場合の焙焼産物についても同様の試験を行ったが、加熱温度を高くした方が高い溶出率が得られた。これは、還元雰囲気中で加熱温度を高くすると、正極活物質とＣＯとの反応が進んで、リチウムが水に比較的溶けやすい形態に正極活物質が変化するためと考えられる。
また、ＬＦＰ系の電池の場合、低酸素雰囲気（Ｏ２濃度１％）中で５７０℃の加熱温度で焙焼した焙焼産物についてのリチウムの溶出率は２８％であった。一方、還元雰囲気（ＣＯ濃度１％）中で５７０℃の加熱温度で焙焼した焙焼産物についてのリチウムの溶出率は９％であった。
このようにＬＦＰ系の電池の場合、還元雰囲気中で焙焼するよりも低酸素雰囲気中で焙焼した方が、高い溶出率が得られた。また、加熱温度を５２０℃とした場合の焙焼産物についても同様の試験を行ったが、加熱温度を高くした方が高い溶出率が得られた。これは、低酸素雰囲気中で加熱温度を高くすると、正極活物質と酸素との反応が進んで、リチウムが水に比較的溶けやすい形態に正極活物質が変化するためと考えられる。
以上のように、リチウムを回収する上で、ＮＣＭ系の電池の場合には還元雰囲気中での焙焼が適しており、ＬＦＰ系の電池の場合には低酸素雰囲気中での焙焼が適している。また、いずれの場合も、加熱温度は、５００℃以上が好ましく、より好ましくは５５０℃以上である。
本実施形態の廃リチウムイオン電池の処理システムＢでは、廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱処理を行う加熱装置２を備えたことによる効果は、第１実施形態の処理システムＡの場合と同様である。
本実施形態では、加熱装置２で加熱処理を行った廃リチウムイオン電池を、破砕機３で細かく破砕し、選別機５で活物質を取り出して焙焼装置４で焙焼するようにしているので、焙焼装置４のより小型化が可能になるとともに、焙焼装置４での熱消費を抑えられる。また、温度を上げると溶融するアルミニウムの集電体を焙焼前に除去するので、焙焼温度の上限を設けなくて良くなる。
また、廃リチウムイオン電池がＮＣＭ系の電池の場合、焙焼装置４において還元雰囲気中で焙焼することにより、後工程においてリチウムを回収する際にリチウムの回収率を向上させることができる。また、廃リチウムイオン電池がＬＦＰ系の電池の場合、焙焼装置４において低酸素雰囲気中で焙焼することにより、後工程においてリチウムを回収する際にリチウムの回収率を向上させることができる。
図２に示す処理システムＢによる廃リチウムイオン電池の処理方法は、加熱装置２による加熱工程と、破砕機３による破砕工程と、選別機５による選別工程と、焙焼装置４による焙焼工程とを含んでいる。
また、図２に示す処理システムＢにおいて、破砕機３及び選別機５に代えて、破砕選別機６を用いてもよい。この破砕選別機６は、加熱装置２によって加熱処理された廃リチウムイオン電池を破砕しながら、廃リチウムイオン電池の正極集電体から正極活物質を分離させて正極活物質を取り出すよう構成されており、例えば、格子を備えた打撃式やせん断式の破砕機等の装置を用いて構成することができる。なお、実際には破砕選別機６によって正極活物質だけでなく負極活物質等も取り出されて、焙焼装置４へ供給される。この場合の廃リチウムイオン電池の処理方法は、加熱装置２による加熱工程と、破砕選別機６による破砕選別工程と、焙焼装置４による焙焼工程とを含んでいる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明は、加熱処理の効率化を図ることが可能になるとともに、大型の廃リチウムイオン電池を解体することなく加熱処理することができる廃リチウムイオン電池の処理システム及び処理方法等として有用である。
Ａ，Ｂ 廃リチウムイオン電池の処理システム
１ 供給装置
２ 加熱装置
３ 破砕機
４ 焙焼装置
５ 選別機
６ 破砕選別機
１ 供給装置
２ 加熱装置
３ 破砕機
４ 焙焼装置
５ 選別機
６ 破砕選別機
Claims (6)
- 廃リチウムイオン電池に含まれる電解液を分解除去するために前記廃リチウムイオン電池に４００℃未満の加熱温度による加熱処理を行う加熱装置と、
前記加熱装置によって加熱処理された前記廃リチウムイオン電池を破砕する破砕機と、
前記破砕機によって破砕された前記廃リチウムイオン電池に対して、還元雰囲気または低酸素雰囲気中で４００℃以上の加熱温度による加熱処理を行う焙焼装置と、を備え、
前記加熱装置は、前記廃リチウムイオン電池を一方向へ搬送しながら加熱処理を行うグレートプレヒータで構成され、
前記破砕機は、前記グレートプレヒータの出口に設置され、
前記焙焼装置は、中心軸回りに回転する円筒体であって、内部が還元雰囲気または低酸素雰囲気とされて外壁が加熱される円筒体を有し、前記円筒体の中心軸方向の一端にある受入口に前記破砕機で破砕された前記廃リチウムイオン電池が供給され、前記円筒体を回転させることにより、前記受入口から受け入れた廃リチウムイオン電池を前記円筒体の中心軸方向の他端にある排出口へ向けて前記円筒体内を搬送し前記排出口から排出する外熱式ロータリーキルンで構成された、廃リチウムイオン電池の処理システム。 - 前記加熱装置による前記廃リチウムイオン電池の加熱温度は、１５０℃以上、２５０℃以下である、
請求項１に記載の廃リチウムイオン電池の処理システム。 - 前記焙焼装置は、４００℃以上、６６０℃未満の加熱温度による加熱処理を行う、
請求項１または２に記載の廃リチウムイオン電池の処理システム。 - 前記破砕機によって破砕された前記廃リチウムイオン電池に対して、正極集電体から正極活物質を分離させて前記正極活物質を選別する選別機をさらに備え、
前記焙焼装置は、５００℃以上の加熱温度による加熱処理を行う、
請求項１または２に記載の廃リチウムイオン電池の処理システム。 - 前記破砕機は、前記加熱装置によって加熱処理された前記廃リチウムイオン電池を破砕しながら、前記廃リチウムイオン電池の正極集電体から正極活物質を分離させて前記正極活物質を選別する破砕選別機である、
請求項１または２に記載の廃リチウムイオン電池の処理システム。 - 前記焙焼装置は、
前記廃リチウムイオン電池が前記正極活物質にリチウム、ニッケル、コバルト及びマンガンを含む場合には還元雰囲気中で加熱処理を行うよう構成され、
前記廃リチウムイオン電池が前記正極活物質にリチウム、鉄及びリンを含む場合には低酸素雰囲気中で加熱処理を行うよう構成された、
請求項４または５に記載の廃リチウムイオン電池の処理システム。
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