JP7365846B2 - Method for producing high purity cobalt sulfate solution and method for producing cobalt sulfate - Google Patents

Method for producing high purity cobalt sulfate solution and method for producing cobalt sulfate Download PDF

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Description

この明細書は、高純度硫酸コバルト溶液の製造方法及び、硫酸コバルトの製造方法に関する技術を開示するものである。 This specification discloses a method for producing a high-purity cobalt sulfate solution and a technique related to a method for producing cobalt sulfate.

コバルトは一般に、リチウムイオン電池の正極活物質や、コバルト合金その他の種々の用途で用いられる。このような用途では、コバルトに付随してニッケルも用いられることが多い。たとえば、リチウムイオン電池には、いわゆる三元系等といったようなコバルト及びニッケルを含有する正極活物質を含むものがある。 Cobalt is generally used as a positive electrode active material for lithium ion batteries, cobalt alloys, and various other uses. In such applications, nickel is often used along with cobalt. For example, some lithium ion batteries include a so-called ternary positive electrode active material containing cobalt and nickel.

正極活物質にコバルト及びニッケルを含有するリチウムイオン電池は、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場合、その廃棄物であるリチウムイオン電池スクラップから、コバルトやニッケル等の各種金属を回収することが広く検討されている。 When lithium-ion batteries containing cobalt and nickel as positive electrode active materials are discarded due to product lifespan, manufacturing defects, or other reasons, various metals such as cobalt and nickel are recovered from the waste lithium-ion battery scrap. This is being widely considered.

特許文献1には、リチウムイオン電池スクラップに対して焙焼、破砕及び篩別等の前処理を施した後、酸に接触させて浸出させ、その浸出後液から金属を回収することが記載されている。より詳細には、浸出後液に対して所定の溶媒抽出を行った後に得られるコバルトイオン及びニッケルイオンを含む抽出残液に対し、2-エチルヘキシルホスホン酸2-エチルヘキシル等のホスホン酸エステル系抽出剤を使用して、コバルトイオンを溶媒に抽出するとともに該溶媒から硫酸等で逆抽出し、当該コバルトを電解採取で回収することとする。 Patent Document 1 describes that lithium ion battery scrap is subjected to pretreatment such as roasting, crushing, and sieving, and then brought into contact with an acid to be leached, and metals are recovered from the leached liquid. ing. More specifically, a phosphonic acid ester extractant such as 2-ethylhexyl 2-ethylhexylphosphonate is applied to the extraction residual liquid containing cobalt ions and nickel ions obtained after performing a predetermined solvent extraction on the post-leaching liquid. The cobalt ions will be extracted into a solvent using a solvent, and the cobalt ions will be back extracted from the solvent using sulfuric acid or the like, and the cobalt will be recovered by electrowinning.

特開2016-186118号公報Japanese Patent Application Publication No. 2016-186118

特許文献1に記載されたような上記の溶媒抽出では、抽出残液中の主としてコバルトイオンを抽出するが、抽出残液中のニッケルイオンもわずかに抽出されて溶媒に含まれる。また、その後の逆抽出では、溶媒に含まれるコバルトイオンだけでなくニッケルイオンも水相に移動する。したがって、これにより得られる硫酸コバルト溶液は、コバルトイオンのみならず、ニッケルイオンも比較的少量ではあるものの含まれることになる。そして、そのような硫酸コバルト溶液は、たとえばリチウムイオン電池の製造等の所定の用途に用いる際に求められるコバルトの純度に対する要求を満たさない場合があった。 In the above solvent extraction as described in Patent Document 1, cobalt ions in the extraction residue are mainly extracted, but a small amount of nickel ions in the extraction residue are also extracted and included in the solvent. Further, in the subsequent back extraction, not only cobalt ions contained in the solvent but also nickel ions are transferred to the aqueous phase. Therefore, the resulting cobalt sulfate solution contains not only cobalt ions but also nickel ions, albeit in relatively small amounts. In addition, such a cobalt sulfate solution may not meet the requirements for cobalt purity when used for a specific purpose, such as the manufacture of lithium ion batteries.

なお、仮に上記の硫酸コバルト溶液を電解液として電解採取を行ったとしても、硫酸コバルト溶液中のニッケルイオンも電極に析出するので、電気コバルトはニッケルを含有するものになる。そのため、当該電気コバルトを硫酸で溶解させると、ニッケルイオンを含む硫酸コバルト溶液となり、この場合も硫酸コバルト溶液のコバルトの純度が十分に高くならない。 Note that even if electrowinning is performed using the above-mentioned cobalt sulfate solution as an electrolyte, nickel ions in the cobalt sulfate solution will also be deposited on the electrode, so that the electrolytic cobalt will contain nickel. Therefore, when the electrolytic cobalt is dissolved in sulfuric acid, it becomes a cobalt sulfate solution containing nickel ions, and in this case as well, the purity of cobalt in the cobalt sulfate solution is not sufficiently high.

この明細書では、比較的少量のニッケルイオンを含む硫酸コバルト溶液のコバルトの純度を有効に高めることのできる高純度硫酸コバルト溶液の製造方法及び、硫酸コバルトの製造方法を開示する。 This specification discloses a method for producing a high-purity cobalt sulfate solution and a method for producing cobalt sulfate that can effectively increase the purity of cobalt in a cobalt sulfate solution containing a relatively small amount of nickel ions.

この明細書で開示する高純度硫酸コバルト溶液の製造方法は、ニッケルイオンを含む硫酸コバルト溶液から、当該硫酸コバルト溶液に比してコバルトの純度が高い高純度硫酸コバルト溶液を製造する方法であって、前記硫酸コバルト溶液のコバルト/ニッケル濃度比が100以上であり、前記硫酸コバルト溶液を、ビス(2,4,4-トリメチルペンチル)ホスフィン酸を含む溶媒と接触させてpHを調整し、前記硫酸コバルト溶液中のニッケルイオンを液中に残しつつコバルトイオンを前記溶媒に抽出した後、該溶媒に抽出されたコバルトイオンを硫酸で逆抽出するニッケル分離工程を含み、前記ニッケル分離工程の前に、コバルトイオン及びニッケルイオンを含む酸性溶液からコバルトイオンを溶媒に抽出するとともに、該溶媒中のコバルトイオンを硫酸で逆抽出して前記硫酸コバルト溶液を得るコバルト抽出工程をさらに含むものである。 The method for producing a high-purity cobalt sulfate solution disclosed in this specification is a method for producing a high-purity cobalt sulfate solution having a higher purity of cobalt than the cobalt sulfate solution from a cobalt sulfate solution containing nickel ions. , the cobalt sulfate solution has a cobalt/nickel concentration ratio of 100 or more, and the cobalt sulfate solution is brought into contact with a solvent containing bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid to adjust the pH; The method includes a nickel separation step of extracting the cobalt ions into the solvent while leaving the nickel ions in the cobalt solution in the solution, and then back-extracting the cobalt ions extracted into the solvent with sulfuric acid, before the nickel separation step. The method further includes a cobalt extraction step of extracting cobalt ions from an acidic solution containing cobalt ions and nickel ions into a solvent, and back-extracting the cobalt ions in the solvent with sulfuric acid to obtain the cobalt sulfate solution.

この明細書で開示する硫酸コバルトの製造方法は、上記の高純度硫酸コバルト溶液の製造方法により製造された高純度硫酸コバルト溶液中のコバルトイオンを結晶化させ、硫酸コバルトを得る結晶化工程を含むものである。 The method for producing cobalt sulfate disclosed in this specification includes a crystallization step of crystallizing cobalt ions in a high-purity cobalt sulfate solution produced by the above-described method for producing a high-purity cobalt sulfate solution to obtain cobalt sulfate. It is something that

上述した高純度硫酸コバルト溶液の製造方法によれば、比較的少量のニッケルイオンを含む硫酸コバルト溶液のコバルトの純度を有効に高めることができる。 According to the method for producing a high-purity cobalt sulfate solution described above, the purity of cobalt in a cobalt sulfate solution containing a relatively small amount of nickel ions can be effectively increased.

一の実施形態に係る高純度硫酸コバルト溶液の製造方法を含む硫酸コバルトの製造方法の一例を示すフロー図である。FIG. 2 is a flow diagram illustrating an example of a method for producing cobalt sulfate, including a method for producing a high-purity cobalt sulfate solution according to one embodiment. 図1の高純度硫酸コバルト溶液の製造方法で用いる硫酸コバルト溶液を得る際のリチウムイオン電池スクラップに対する前処理の一例を示すフロー図である。FIG. 2 is a flow diagram showing an example of pretreatment for lithium ion battery scrap when obtaining a cobalt sulfate solution used in the method for producing a high-purity cobalt sulfate solution in FIG. 1. FIG. 図2の前処理で得られる電池粉末に対する湿式処理の一例を示すフロー図である。FIG. 3 is a flow diagram showing an example of wet processing for the battery powder obtained in the pretreatment of FIG. 2. FIG. 図3の湿式処理のコバルト抽出工程で得られるコバルト抽出残液に対する処理の一例を示すフロー図である。FIG. 4 is a flow diagram showing an example of a process for the cobalt extraction residual liquid obtained in the cobalt extraction step of the wet process in FIG. 3. FIG. 実施例のpH:4.5における抽出後の水相のNi濃度と抽出後の有機相のNi濃度との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the Ni concentration of the aqueous phase after extraction and the Ni concentration of the organic phase after extraction at pH: 4.5 in an example. 実施例のpH:5.0における抽出後の水相のNi濃度と抽出後の有機相のNi濃度との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the Ni concentration of the aqueous phase after extraction and the Ni concentration of the organic phase after extraction at pH: 5.0 in an example. 実施例のpH:5.5における抽出後の水相のNi濃度と抽出後の有機相のNi濃度との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the Ni concentration of the aqueous phase after extraction and the Ni concentration of the organic phase after extraction at pH: 5.5 in Example.

以下に、この明細書で開示する高純度硫酸コバルト溶液の製造方法の実施の形態について詳細に説明する。
一の実施形態に係る高純度硫酸コバルト溶液の製造方法では、図1に示すように、ニッケルイオンを含む硫酸コバルト溶液に対してニッケル分離工程を行い、ニッケルイオンが分離されたことにより当該硫酸コバルト溶液に比してコバルトの純度が高くなった高純度硫酸コバルト溶液を製造する。ニッケル分離工程では、溶媒抽出法による所定の抽出及び逆抽出を行うことにより、硫酸コバルト溶液中のニッケルイオンを有効に分離することができる。なお、さらに高純度硫酸コバルト溶液に対して結晶化工程を行った場合は、ニッケル含有量が少ない固体のコバルトの硫酸塩である硫酸コバルトを製造することができる。
Below, embodiments of the method for producing a high-purity cobalt sulfate solution disclosed in this specification will be described in detail.
In the method for producing a high-purity cobalt sulfate solution according to one embodiment, as shown in FIG. A high-purity cobalt sulfate solution with higher cobalt purity than the solution is produced. In the nickel separation step, nickel ions in the cobalt sulfate solution can be effectively separated by performing predetermined extraction and back extraction using a solvent extraction method. In addition, when a crystallization step is further performed on a highly purified cobalt sulfate solution, cobalt sulfate, which is a solid cobalt sulfate with a low nickel content, can be produced.

(硫酸コバルト溶液)
ニッケル分離工程で用いる硫酸コバルト溶液は、コバルトイオン及び、比較的少量のニッケルイオンも含むものである。具体的には、硫酸コバルト溶液のニッケル濃度に対するコバルト濃度の比であるコバルト/ニッケル濃度比が100以上である硫酸コバルト溶液を対象とする。硫酸コバルト溶液のコバルト/ニッケル濃度比は、典型的には100~1000である。
(Cobalt sulfate solution)
The cobalt sulfate solution used in the nickel separation process also contains cobalt ions and a relatively small amount of nickel ions. Specifically, the target is a cobalt sulfate solution in which the cobalt/nickel concentration ratio, which is the ratio of the cobalt concentration to the nickel concentration of the cobalt sulfate solution, is 100 or more. The cobalt/nickel concentration ratio of the cobalt sulfate solution is typically 100-1000.

硫酸コバルト溶液のニッケル濃度は、たとえば0.05g/L~0.90g/L、典型的には0.10g/L~0.60g/Lである。硫酸コバルト溶液のコバルト濃度は、たとえば5g/L~90g/L、典型的には5g/L~30g/L、より典型的には10g/L~15g/Lである。
その他、硫酸コバルト溶液には、たとえば、ナトリウムイオンが0.01g/L~0.05g/Lで含まれることがある。
The nickel concentration of the cobalt sulfate solution is, for example, 0.05 g/L to 0.90 g/L, typically 0.10 g/L to 0.60 g/L. The cobalt concentration of the cobalt sulfate solution is, for example, from 5 g/L to 90 g/L, typically from 5 g/L to 30 g/L, more typically from 10 g/L to 15 g/L.
In addition, the cobalt sulfate solution may contain, for example, sodium ions in an amount of 0.01 g/L to 0.05 g/L.

硫酸コバルト溶液は、たとえば、図2及び3を参照して後述するようにリチウムイオン電池スクラップに対して前処理及び湿式処理を施して得られたものとすることができるが、上述したように所定のコバルト/ニッケル濃度比が100以上のものであれば、その作製方法は特に問わない。 The cobalt sulfate solution can be obtained, for example, by subjecting lithium ion battery scrap to pretreatment and wet treatment as described below with reference to FIGS. The manufacturing method is not particularly limited as long as the cobalt/nickel concentration ratio is 100 or more.

(ニッケル分離工程)
ニッケル分離工程では、上記の硫酸コバルト溶液に対して溶媒抽出法による抽出及び逆抽出を行う。ここでは、硫酸コバルト溶液中のコバルトイオンが有効に抽出・逆抽出されつつ、硫酸コバルト溶液中のニッケルイオンができる限り抽出されないようにするため、ビス(2,4,4-トリメチルペンチル)ホスフィン酸(phosphinic acid)を含む抽出剤を使用する。
(Nickel separation process)
In the nickel separation step, the above cobalt sulfate solution is subjected to extraction and back extraction using a solvent extraction method. Here, in order to effectively extract and back-extract the cobalt ions in the cobalt sulfate solution while preventing the nickel ions in the cobalt sulfate solution from being extracted as much as possible, bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid was used. (phosphonic acid) is used.

ビス(2,4,4-トリメチルペンチル)ホスフィン酸を含む抽出剤による溶媒を用いると、硫酸コバルト溶液中のニッケルイオンを液中に残しつつコバルトイオンを溶媒に抽出することができる。かかる抽出剤は具体的には、SOLVAY社のALBRITECT TH1(商品名)または、Cyanex272(商品名)とすることが特に好適であるが、これに限らない。これにより、たとえば、(2-エチルヘキシル)ホスフィン酸モノ-2-エチルヘキシル(PC-88A、Ionquest801)等の抽出剤に比して、pHの低い側と高い側に十分離れたコバルト及びニッケルの抽出曲線となって、コバルトイオンは抽出されるがニッケルイオンは抽出されない範囲が拡大することになる。つまり、コバルトイオンのみの選択的な抽出が容易になる。 When a solvent containing an extractant containing bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid is used, cobalt ions can be extracted into the solvent while leaving nickel ions in the cobalt sulfate solution. Specifically, such an extractant is particularly preferably ALBRITECT TH1 (trade name) or Cyanex 272 (trade name) manufactured by SOLVAY, but is not limited thereto. This results in cobalt and nickel extraction curves that are well separated on the low and high pH sides compared to extractants such as mono-2-ethylhexyl (2-ethylhexyl)phosphinate (PC-88A, Ionquest 801). As a result, the range in which cobalt ions are extracted but nickel ions are not extracted is expanded. In other words, selective extraction of only cobalt ions becomes easy.

ビス(2,4,4-トリメチルペンチル)ホスフィン酸を含む抽出剤は、その純度を、たとえば95%以上とすることができる。
かかる抽出剤は、芳香族系、パラフィン系、ナフテン系等の炭化水素系有機溶剤を用いて、濃度が10体積%~30体積%となるように希釈して、これを溶媒として使用することができる。
The purity of the extractant containing bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid can be, for example, 95% or higher.
Such an extractant can be diluted to a concentration of 10% to 30% by volume using an aromatic, paraffinic, naphthenic, or other hydrocarbon organic solvent and used as a solvent. can.

抽出の手順の一例としては、pH調整剤を添加しつつ、硫酸コバルト溶液(水相)と上記の抽出剤による溶媒(有機相)を接触させ、ミキサーにより、たとえば200~500rpmで5分~60分にわたって撹拌混合し、コバルトイオンを抽出剤と反応させる。この際の液温は、15℃~60℃とする。その後、セトラーにより、混合した有機相と水相を比重差により分離する。
溶媒抽出は繰り返し行ってもよく、たとえば有機相と水相が向流接触するようにした多段方式とすることもできる。O/A比(水相に対する有機相の体積比)は0.1~10とすることが一般的である。
An example of the extraction procedure is to bring a cobalt sulfate solution (aqueous phase) into contact with a solvent (organic phase) using the above extractant while adding a pH adjuster, and then mix the mixture with a mixer at 200 to 500 rpm for 5 to 60 minutes. Stir and mix for several minutes to allow the cobalt ions to react with the extractant. The liquid temperature at this time is 15°C to 60°C. Thereafter, a settler separates the mixed organic phase and aqueous phase based on the difference in specific gravity.
Solvent extraction may be carried out repeatedly, for example in a multistage manner in which the organic phase and the aqueous phase are brought into countercurrent contact. The O/A ratio (volume ratio of the organic phase to the aqueous phase) is generally 0.1 to 10.

抽出時の平衡pHは4.0~7.0とすることが好ましく、特に5.0~6.0とすることがより一層好ましい。これにより、ニッケルイオンを水相に残し、コバルトイオンを有機相に有効に抽出することができる。言い換えると、抽出時の平衡pHが低いとコバルトイオンが十分に抽出されず、この一方で、平衡pHが高いとニッケルイオンも抽出されることが懸念される。但し、適切なpH範囲は、コバルト濃度や抽出剤の体積分率、油と水の相比、温度などの組み合わせによって変化するので、上記の範囲外とする場合もあり得る。 The equilibrium pH during extraction is preferably 4.0 to 7.0, particularly preferably 5.0 to 6.0. This allows nickel ions to remain in the aqueous phase and cobalt ions to be effectively extracted into the organic phase. In other words, if the equilibrium pH at the time of extraction is low, cobalt ions will not be sufficiently extracted, whereas if the equilibrium pH is high, there is a concern that nickel ions will also be extracted. However, since the appropriate pH range varies depending on the combination of cobalt concentration, extractant volume fraction, oil/water phase ratio, temperature, etc., it may be outside the above range.

pH調整剤としては、アンモニア、水酸化ナトリウム等の種々のアルカリを用いることが可能である。なお、アンモニアはその処理のための設備が必要になることから、水酸化ナトリウムのほうが好ましい場合がある。 As the pH adjuster, various alkalis such as ammonia and sodium hydroxide can be used. Note that since ammonia requires equipment for its treatment, sodium hydroxide may be preferable.

抽出後は、コバルトイオンを含有する有機相に対して硫酸で逆抽出を行う。逆抽出は、硫酸酸性溶液等の逆抽出液を使用して、ミキサー等により、200~500rpmで5分~60分にわたって撹拌混合することにより行うことができる。逆抽出液の酸濃度はpH:1.0~3.0に調整することが好ましく、pH:1.5~2.5に調整することがより好ましい。逆抽出は、15℃~60℃以下で実施することができる。 After extraction, the organic phase containing cobalt ions is back-extracted with sulfuric acid. Back extraction can be performed by stirring and mixing using a mixer or the like at 200 to 500 rpm for 5 to 60 minutes using a back extraction liquid such as an acidic sulfuric acid solution. The acid concentration of the back extraction liquid is preferably adjusted to pH: 1.0 to 3.0, more preferably adjusted to pH: 1.5 to 2.5. Back extraction can be carried out at 15°C to 60°C or less.

逆抽出により、コバルトイオンは有機相から水相側に移動し、コバルトイオンを含む逆抽出後液(水相)として高純度硫酸コバルト溶液を得ることができる。ここでは、先述したように抽出時に多くのニッケルイオンを水相に残したことから、高純度硫酸コバルト溶液にはニッケルイオンがほぼ含まれない。 By back extraction, cobalt ions move from the organic phase to the aqueous phase side, and a high purity cobalt sulfate solution can be obtained as a back extraction liquid (aqueous phase) containing cobalt ions. Here, as mentioned earlier, many nickel ions were left in the aqueous phase during extraction, so the high purity cobalt sulfate solution contains almost no nickel ions.

高純度硫酸コバルト溶液中のコバルト濃度は、たとえば1g/L~100g/L、典型的には10g/L~90g/Lになる。また、高純度硫酸コバルト溶液中のニッケル濃度は、好ましくは1mg/L以下とすることができる。高純度硫酸コバルト溶液のコバルト/ニッケル濃度比は、10000以上であることが好適である。 The cobalt concentration in the high purity cobalt sulfate solution will be, for example, from 1 g/L to 100 g/L, typically from 10 g/L to 90 g/L. Further, the nickel concentration in the high purity cobalt sulfate solution can preferably be 1 mg/L or less. The cobalt/nickel concentration ratio of the high purity cobalt sulfate solution is preferably 10,000 or more.

(硫酸コバルトの製造)
硫酸コバルトを製造する場合、図1に示すように、上記の高純度硫酸コバルト溶液に対して結晶化工程を行うことができる。結晶化工程では、高純度硫酸コバルト溶液を、たとえば40℃~50℃に加熱して濃縮し、コバルトを硫酸コバルトとして晶析させる。
(Production of cobalt sulfate)
When producing cobalt sulfate, as shown in FIG. 1, the above-mentioned high-purity cobalt sulfate solution can be subjected to a crystallization step. In the crystallization step, a high-purity cobalt sulfate solution is heated to, for example, 40° C. to 50° C. and concentrated to crystallize cobalt as cobalt sulfate.

高純度硫酸コバルト溶液は、先述したニッケル分離工程を経たことによりニッケルイオンが十分に低減されている。それ故に、この実施形態では、ニッケル分離工程後かつ結晶化工程前に、不純物を除去するための洗浄工程を行うことを要しない。したがって、この実施形態では、ニッケル分離工程で得られた高純度硫酸コバルト溶液に対し、当該洗浄工程を経ることなく、結晶化工程を行うことができる。 The high-purity cobalt sulfate solution has undergone the nickel separation process described above, so that nickel ions have been sufficiently reduced. Therefore, in this embodiment, it is not necessary to perform a cleaning step to remove impurities after the nickel separation step and before the crystallization step. Therefore, in this embodiment, the crystallization process can be performed on the high purity cobalt sulfate solution obtained in the nickel separation process without going through the cleaning process.

このようにして製造される硫酸コバルトは、ニッケル含有量が、好ましくは10質量ppm以下、より好ましくは5質量ppm以下であり、ニッケルが十分に除去されていることから、リチウムイオン二次電池その他の電池の製造の原料として有効に用いることができる。 The cobalt sulfate produced in this way has a nickel content of preferably 10 mass ppm or less, more preferably 5 mass ppm or less, and since nickel has been sufficiently removed, it is suitable for use in lithium ion secondary batteries, etc. It can be effectively used as a raw material for manufacturing batteries.

(リチウムイオン電池スクラップの処理)
以上に述べた高純度硫酸コバルト溶液ないし硫酸コバルトの製造に用いる硫酸コバルト溶液を得るには、たとえば、図2及び3に示すように、少なくともコバルト及びニッケルを含むリチウムイオン電池スクラップを処理して電池粉末を得る前処理と、前記電池粉末を湿式で処理して前記硫酸コバルト溶液を得る湿式処理とが行われることがある。
(Processing of lithium ion battery scrap)
In order to obtain the above-described high-purity cobalt sulfate solution or cobalt sulfate solution used in the production of cobalt sulfate, for example, as shown in FIGS. 2 and 3, lithium ion battery scrap containing at least cobalt and nickel is processed to produce a battery A pretreatment to obtain a powder and a wet treatment to wetly process the battery powder to obtain the cobalt sulfate solution may be performed.

リチウムイオン電池スクラップは、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スクラップ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スクラップは、たとえば、コバルトを0.1質量%~40.0質量%、ニッケルを0.1質量%~15.0質量%で含むことがある。その他、リチウムイオン電池スクラップには、リチウム、マンガン、アルミニウム、銅、鉄等が含まれる場合がある。 Lithium ion battery scrap is lithium ion batteries that can be used in mobile phones and various other electronic devices, and is discarded due to the battery product's lifespan, manufacturing defects, or other reasons. It is preferable to recover valuable metals from such lithium ion battery scraps from the viewpoint of effective utilization of resources. Lithium ion battery scrap may contain, for example, 0.1% to 40.0% by weight of cobalt and 0.1% to 15.0% by weight of nickel. In addition, lithium ion battery scrap may contain lithium, manganese, aluminum, copper, iron, etc.

リチウムイオン電池スクラップの処理には、前処理として、図2に示すように、焙焼工程、破砕工程及び篩別工程が含まれ得る。これにより、電池粉末が得られる。なお焙焼工程では、ロータリーキルン炉その他の各種の炉や、大気雰囲気で加熱を行う炉等の様々な加熱設備でリチウムイオン電池スクラップを加熱し、たとえば450℃~1000℃、好ましくは600℃~800℃の温度範囲で0.5時間~4時間にわたって保持することが好適である。 Processing of lithium ion battery scrap may include a roasting process, a crushing process, and a sieving process as shown in FIG. 2 as pretreatment. This yields battery powder. In the roasting process, the lithium ion battery scrap is heated in various heating equipment such as a rotary kiln furnace, various other furnaces, and a furnace that heats in an atmospheric atmosphere, for example, to a temperature of 450°C to 1000°C, preferably 600°C to 800°C. It is preferred to hold the temperature in the temperature range of 0.5 to 4 hours.

上記の電池粉末には湿式処理を施すことができる。湿式処理は、図3に示すように、リチウム浸出工程、酸浸出工程、中和工程、マンガン/アルミニウム抽出工程、コバルト抽出工程等を含む。コバルト抽出工程後に先述の硫酸リチウム溶液が得られる。 The above battery powder can be subjected to wet processing. Wet processing includes a lithium leaching process, an acid leaching process, a neutralization process, a manganese/aluminum extraction process, a cobalt extraction process, etc., as shown in FIG. After the cobalt extraction step, the aforementioned lithium sulfate solution is obtained.

リチウム浸出工程では、電池粉末を水と接触させ、それに含まれるリチウムを溶解させる。これにより、電池粉末に含まれるリチウムを、回収プロセスの早い段階で分離させることができる。ここでは、最終的に得られるリチウム溶液のpHが7.0~10.0になるように、水に硫酸等の酸を添加することが好ましい。この場合、コバルトやアルミニウム等の溶出を抑制して、主としてリチウムを選択的に溶解させることができる。 In the lithium leaching process, the battery powder is brought into contact with water to dissolve the lithium contained therein. Thereby, lithium contained in the battery powder can be separated at an early stage of the recovery process. Here, it is preferable to add an acid such as sulfuric acid to the water so that the pH of the lithium solution finally obtained is 7.0 to 10.0. In this case, elution of cobalt, aluminum, etc. can be suppressed, and mainly lithium can be selectively dissolved.

酸浸出工程では、上記のリチウム浸出工程で得られた残渣を、硫酸等の酸に添加して浸出させる。酸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、酸性溶液のpHは0.0~2.0とすること、酸性溶液の酸化還元電位(ORP値、銀/塩化銀電位基準)を0mV以下とすることが好適である。 In the acid leaching step, the residue obtained in the above lithium leaching step is added to an acid such as sulfuric acid and leached. The acid leaching step can be carried out using known methods or conditions, but the pH of the acidic solution should be 0.0 to 2.0, and the oxidation-reduction potential (ORP value, silver/silver chloride potential standard) of the acidic solution should be It is preferable to set it to 0 mV or less.

中和工程では、酸浸出工程で得られる浸出後液に水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等のアルカリを添加して、pHを上昇させる。これにより、浸出後液中のアルミニウムを沈殿させて除去することができる。但し、この中和工程は省略することも可能である。中和工程では、pHを4.0~6.0とすること、ORP値(ORPvsAg/AgCl)を-500mV~100mVとすること、液温を50℃~90℃とすることが好ましい。 In the neutralization step, an alkali such as sodium hydroxide, sodium carbonate, or ammonia is added to the post-leaching solution obtained in the acid leaching step to increase the pH. Thereby, aluminum in the post-leaching solution can be precipitated and removed. However, this neutralization step can also be omitted. In the neutralization step, it is preferable to set the pH to 4.0 to 6.0, the ORP value (ORPvsAg/AgCl) to -500 mV to 100 mV, and the liquid temperature to 50°C to 90°C.

マンガン/アルミニウム抽出工程では、酸浸出工程後、又は中和工程を行った場合は中和工程後、浸出後液又は中和後液からアルミニウムの残部及び/又はマンガンを抽出して除去する。ここでは、燐酸エステル系抽出剤及びオキシム系抽出剤を含有する混合抽出剤を使用することが好ましい。ここで、燐酸エステル系抽出剤としては、たとえばジ-2-エチルヘキシルリン酸(商品名:D2EHPA又はDP8R)等が挙げられる。オキシム系抽出剤は、アルドキシムやアルドキシムが主成分のものが好ましい。具体的には、たとえば2-ヒドロキシ-5-ノニルアセトフェノンオキシム(商品名:LIX84)、5-ドデシルサリシルアルドオキシム(商品名:LIX860)、LIX84とLIX860の混合物(商品名:LIX984)、5-ノニルサリチルアルドキシム(商品名:ACORGAM5640)等があり、そのなかでも価格面等から5-ノニルサリチルアルドキシムが好ましい。抽出時の平衡pHは、好ましくは2.3~3.5、より好ましくは2.5~3.0とする。なお、マンガン/アルミニウム抽出工程は省略することもできる。 In the manganese/aluminum extraction step, after the acid leaching step, or after the neutralization step if a neutralization step is performed, the remainder of aluminum and/or manganese is extracted and removed from the post-leaching solution or the post-neutralization solution. Here, it is preferable to use a mixed extractant containing a phosphate extractant and an oxime extractant. Here, examples of the phosphoric acid ester extractant include di-2-ethylhexyl phosphoric acid (trade name: D2EHPA or DP8R). The oxime extractant is preferably aldoxime or one containing aldoxime as a main component. Specifically, for example, 2-hydroxy-5-nonylacetophenone oxime (trade name: LIX84), 5-dodecylsalicyaldoxime (trade name: LIX860), a mixture of LIX84 and LIX860 (trade name: LIX984), 5- There are nonyl salicylaldoxime (trade name: ACORGAM 5640) and the like, and among these, 5-nonylsalicylaldoxime is preferred from the viewpoint of price. The equilibrium pH during extraction is preferably 2.3 to 3.5, more preferably 2.5 to 3.0. Note that the manganese/aluminum extraction step can also be omitted.

コバルト抽出工程では、マンガン/アルミニウム抽出工程の抽出残液(水相)から、主としてコバルトイオンを抽出するとともに逆抽出する。但し、この際には、ニッケルイオンも少量ではあるものの抽出及び逆抽出されて、逆抽出後液(硫酸コバルト溶液)に含まれる。 In the cobalt extraction step, cobalt ions are mainly extracted and back-extracted from the extraction residue (aqueous phase) of the manganese/aluminum extraction step. However, at this time, nickel ions are also extracted and back-extracted, although in small amounts, and are included in the back-extraction solution (cobalt sulfate solution).

コバルト抽出工程では、はじめに、好ましくは(2-エチルヘキシル)ホスフィン酸モノ-2-エチルヘキシル(商品名:PC-88A、Ionquest801)等のホスホン酸エステル系抽出剤を使用する。抽出時の平衡pHは、好ましくは5.0~6.0、より好ましくは5.2~5.7とする。なお、抽出後のコバルト抽出残液(水相)は、後述する硫酸ニッケルの製造に用いることができる。
コバルトイオンを抽出した溶媒(有機相)は必要に応じて、好ましくはpHが4.0~5.0、より好ましくは4.3~4.6の硫酸酸性溶液等のスクラビング液を用いたスクラビングに供することができる。スクラビング回数は1回以上、O/A比は1/2~1.5/1とすることがそれぞれ好ましい。これにより、溶媒中のナトリウムイオンを有効に除去することができる。
In the cobalt extraction step, first, preferably, a phosphonic acid ester extractant such as mono-2-ethylhexyl (2-ethylhexyl)phosphinate (trade name: PC-88A, Ionquest 801) is used. The equilibrium pH during extraction is preferably 5.0 to 6.0, more preferably 5.2 to 5.7. Note that the cobalt extraction residual liquid (aqueous phase) after the extraction can be used for producing nickel sulfate, which will be described later.
The solvent (organic phase) from which the cobalt ions have been extracted is, if necessary, scrubbed using a scrubbing liquid such as a sulfuric acid acidic solution with a pH of preferably 4.0 to 5.0, more preferably 4.3 to 4.6. It can be provided to It is preferable that the number of times of scrubbing be one or more times and the O/A ratio be 1/2 to 1.5/1. Thereby, sodium ions in the solvent can be effectively removed.

その後、コバルトイオンを含有する溶媒に対し、硫酸で逆抽出を行う。pHは2.0~4.0の範囲とすることが好ましく、2.5~3.5の範囲とすることがより一層好ましい。なお、O/A比と回数については、適宜決めることができる。液温は常温でもよいが、好ましくは0℃~40℃である。逆抽出の後、逆抽出後液として硫酸コバルト溶液が得られる。 Thereafter, back extraction is performed using sulfuric acid in a solvent containing cobalt ions. The pH is preferably in the range of 2.0 to 4.0, and even more preferably in the range of 2.5 to 3.5. Note that the O/A ratio and the number of times can be determined as appropriate. The liquid temperature may be room temperature, but is preferably 0°C to 40°C. After back-extraction, a cobalt sulfate solution is obtained as a post-back-extraction liquid.

(硫酸ニッケルの製造)
硫酸ニッケルは、上述したコバルト抽出工程のコバルト抽出残液を用いて製造することができる。硫酸ニッケルの製造では、図4に示すように、ニッケル抽出工程、電解工程、溶解工程及び結晶化工程を行う。
(Production of nickel sulfate)
Nickel sulfate can be produced using the cobalt extraction residual liquid from the above-mentioned cobalt extraction step. In the production of nickel sulfate, as shown in FIG. 4, a nickel extraction process, an electrolysis process, a dissolution process, and a crystallization process are performed.

ニッケル抽出工程では、コバルト抽出残液に対し、好ましくはカルボン酸系抽出剤を使用し、コバルト抽出残液からニッケルイオンを分離させる。カルボン酸系抽出剤としては、たとえばネオデカン酸、ナフテン酸等があるが、なかでもニッケルイオンの抽出能力の理由によりネオデカン酸が好ましい。抽出時の平衡pHは、好ましくは6.0~8.0、より好ましくは6.8~7.2とする。
抽出後は、ニッケルイオンを含有する有機相に対して、硫酸、塩酸もしくは硝酸等の逆抽出液を使用して逆抽出を行う。ここでは、ニッケルイオンが有機相から逆抽出液(水相)に100%抽出されるようなpHの条件で行う。具体的にはpHは1.0~3.0の範囲が好ましく、1.5~2.5がより好ましい。なお、O/A比と回数については適宜決めることができるが、O/A比は5/1~1/1、より好ましくは4/1~2/1である。逆抽出回数を増やすことで、目的金属濃度を高め、電解工程に有利な濃度とすることができる。
In the nickel extraction step, preferably a carboxylic acid extractant is used for the cobalt extraction residue to separate nickel ions from the cobalt extraction residue. Examples of the carboxylic acid extractant include neodecanoic acid and naphthenic acid, among which neodecanoic acid is preferred because of its ability to extract nickel ions. The equilibrium pH during extraction is preferably 6.0 to 8.0, more preferably 6.8 to 7.2.
After extraction, back extraction is performed on the organic phase containing nickel ions using a back extraction solution such as sulfuric acid, hydrochloric acid, or nitric acid. Here, the pH is such that 100% of nickel ions are extracted from the organic phase into the back extraction liquid (aqueous phase). Specifically, the pH is preferably in the range of 1.0 to 3.0, more preferably 1.5 to 2.5. Note that the O/A ratio and the number of times can be determined as appropriate, but the O/A ratio is 5/1 to 1/1, more preferably 4/1 to 2/1. By increasing the number of times of back extraction, the target metal concentration can be increased to a concentration that is advantageous for the electrolytic process.

電解工程では、ニッケル抽出工程で得られる逆抽出後液を電解液として、電気分解により該電解液に含まれるニッケルイオンを電極に析出させて、電気ニッケルを得る。電解工程は、公知の条件により行うことができるが、たとえば、液温を40℃~60℃、pHを1.5~2.0にそれぞれ調整し、電流密度を190A/m2~210A/m2として行うことができる。 In the electrolytic step, the back-extracted solution obtained in the nickel extraction step is used as an electrolytic solution, and nickel ions contained in the electrolytic solution are deposited on an electrode by electrolysis to obtain electrolytic nickel. The electrolytic step can be carried out under known conditions; for example, the liquid temperature is adjusted to 40°C to 60°C, the pH is adjusted to 1.5 to 2.0, and the current density is adjusted to 190A/m 2 to 210A/m. Can be done as 2 .

溶解工程では、電気ニッケルを、硫酸または、硫酸及び酸化剤等の酸で溶解して、ニッケル溶解液を得る。この溶解終了時のpHは、たとえば1.0~5.0、好ましくは2.0~4.0とすることができる。ニッケル溶解液中のニッケル濃度は、たとえば10g/L~150g/L、好ましくは100g/L~130g/Lである。また、ニッケル溶解液のナトリウム濃度は、好ましくは5mg/L以下、より好ましくは1mg/L以下であり、アルミニウム及びマンガンの合計濃度は1mg/L以下、より好ましくは0.5mg/L以下である。 In the dissolution step, electrolytic nickel is dissolved with an acid such as sulfuric acid or sulfuric acid and an oxidizing agent to obtain a nickel solution. The pH at the end of this dissolution can be, for example, 1.0 to 5.0, preferably 2.0 to 4.0. The nickel concentration in the nickel solution is, for example, 10 g/L to 150 g/L, preferably 100 g/L to 130 g/L. Further, the sodium concentration of the nickel solution is preferably 5 mg/L or less, more preferably 1 mg/L or less, and the total concentration of aluminum and manganese is 1 mg/L or less, more preferably 0.5 mg/L or less. .

結晶化工程では、上記のニッケル溶解液を、たとえば40℃~120℃に加熱して濃縮し、ニッケルイオンを硫酸ニッケルとして晶析させる。
結晶化工程で得られた硫酸ニッケルは、不純物がほぼ含まれておらず、リチウムイオン電池の製造の原料として用いることに適している。
In the crystallization step, the nickel solution is heated to, for example, 40° C. to 120° C. and concentrated, and nickel ions are crystallized as nickel sulfate.
The nickel sulfate obtained in the crystallization process contains almost no impurities and is suitable for use as a raw material for manufacturing lithium ion batteries.

次に、上述した高純度硫酸コバルト溶液の製造方法を試験的に実施し、その効果を確認したので以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、これに限定されることを意図するものではない。 Next, the above-described method for producing a high-purity cobalt sulfate solution was carried out on a trial basis, and its effects were confirmed, which will be described below. However, the description here is for the purpose of mere illustration, and is not intended to be limiting.

Co:10g/L、Ni:1g/L程度の硫酸コバルト溶液に対し、抽出剤としてビス(2,4,4-トリメチルペンチル)ホスフィン酸(ALBRITECT TH1)又は、2-エチルヘキシルホスフィン酸2-エチルヘキシル(PC-88A)を用いるとともに、pH調整剤として水酸化アンモニウム又は水酸化ナトリウムを用いて、異なるpHで、硫酸コバルト溶液中のコバルトイオンを抽出する試験を複数行った。 Cobalt sulfate solution of approximately 10 g/L and Ni: 1 g/L was added with bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid (ALBRITECT TH1) or 2-ethylhexyl 2-ethylhexylphosphinic acid (2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid (ALBRITECT TH1) as an extractant. PC-88A) and ammonium hydroxide or sodium hydroxide as a pH adjuster, multiple tests were conducted to extract cobalt ions from a cobalt sulfate solution at different pHs.

抽出後の水相(抽出後Aq.)と有機相(抽出後Org.)中のCo濃度及びNi濃度を確認した。その結果を表1に示す。またその各pHにおける、横軸を抽出後の水相のNi濃度とし、縦軸を抽出後の有機相のNi濃度としたグラフを、図5~7に示す。 The Co concentration and Ni concentration in the aqueous phase after extraction (Aq. after extraction) and the organic phase (Org. after extraction) were confirmed. The results are shown in Table 1. 5 to 7 show graphs at each pH, with the horizontal axis representing the Ni concentration in the aqueous phase after extraction and the vertical axis representing the Ni concentration in the organic phase after extraction.

Figure 0007365846000001
Figure 0007365846000001

この結果より、(2-エチルヘキシル)ホスフィン酸モノ-2-エチルヘキシルの抽出剤を用いた場合は溶媒中にNiが比較的多く抽出されているのに対し、ビス(2,4,4-トリメチルペンチル)ホスフィン酸の抽出剤を用いた場合は溶媒中のNi濃度が十分に低かったことが解かる。 From this result, relatively more Ni was extracted into the solvent when mono-2-ethylhexyl (2-ethylhexyl)phosphinate was used as an extractant, whereas bis(2,4,4-trimethylpentyl) ) It can be seen that when a phosphinic acid extractant was used, the Ni concentration in the solvent was sufficiently low.

したがって、抽出剤としてビス(2,4,4-トリメチルペンチル)ホスフィン酸を使用することにより、ニッケル分離工程でニッケルイオンを分離できて、硫酸コバルト溶液のコバルトの純度を有効に高めることが可能であることが解かった。 Therefore, by using bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid as an extractant, nickel ions can be separated in the nickel separation process, and the purity of cobalt in the cobalt sulfate solution can be effectively increased. I realized something.

Claims (10)

ニッケルイオンを含む硫酸コバルト溶液から、当該硫酸コバルト溶液に比してコバルトの純度が高い高純度硫酸コバルト溶液を製造する方法であって、
前記硫酸コバルト溶液のコバルト/ニッケル濃度比が100以上であり、
前記硫酸コバルト溶液を、ビス(2,4,4-トリメチルペンチル)ホスフィン酸を含む溶媒と接触させてpHを調整し、前記硫酸コバルト溶液中のニッケルイオンを液中に残しつつコバルトイオンを前記溶媒に抽出した後、該溶媒に抽出されたコバルトイオンを硫酸で逆抽出するニッケル分離工程を含
前記ニッケル分離工程の前に、コバルトイオン及びニッケルイオンを含む酸性溶液からコバルトイオンを溶媒に抽出するとともに、該溶媒中のコバルトイオンを硫酸で逆抽出して前記硫酸コバルト溶液を得るコバルト抽出工程をさらに含む、高純度硫酸コバルト溶液の製造方法。
A method for producing a high-purity cobalt sulfate solution with higher cobalt purity than the cobalt sulfate solution from a cobalt sulfate solution containing nickel ions, the method comprising:
The cobalt/nickel concentration ratio of the cobalt sulfate solution is 100 or more,
The cobalt sulfate solution is brought into contact with a solvent containing bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinic acid to adjust the pH, and the cobalt ions are transferred to the solvent while leaving the nickel ions in the cobalt sulfate solution in the solution. and a nickel separation step of back-extracting the cobalt ions extracted into the solvent with sulfuric acid,
Before the nickel separation step, a cobalt extraction step is performed in which cobalt ions are extracted from an acidic solution containing cobalt ions and nickel ions into a solvent, and the cobalt ions in the solvent are back-extracted with sulfuric acid to obtain the cobalt sulfate solution. A method for producing a high purity cobalt sulfate solution , further comprising :
前記高純度硫酸コバルト溶液のコバルト/ニッケル濃度比が10000以上である、請求項1に記載の高純度硫酸コバルト溶液の製造方法。 The method for producing a high-purity cobalt sulfate solution according to claim 1, wherein the high-purity cobalt sulfate solution has a cobalt/nickel concentration ratio of 10,000 or more. 前記硫酸コバルト溶液のコバルト濃度が5g/L~90g/Lであり、ニッケル濃度が0.05g/L~0.90g/Lである、請求項1又は2に記載の高純度硫酸コバルト溶液の製造方法。 Production of a high purity cobalt sulfate solution according to claim 1 or 2, wherein the cobalt concentration of the cobalt sulfate solution is 5 g/L to 90 g/L and the nickel concentration is 0.05 g/L to 0.90 g/L. Method. 前記ニッケル分離工程で、抽出時の平衡pHを4.0~7.0にする、請求項1~3のいずれか一項に記載の高純度硫酸コバルト溶液の製造方法。 The method for producing a high-purity cobalt sulfate solution according to any one of claims 1 to 3, wherein in the nickel separation step, the equilibrium pH during extraction is set to 4.0 to 7.0. 前記コバルト抽出工程でのコバルトイオンの抽出後に得られるコバルト抽出残液から、ニッケルイオンを有機相に抽出した後、ニッケルイオンを含有する有機相に対して逆抽出を行うニッケル抽出工程をさらに含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の高純度硫酸コバルト溶液の製造方法。 Further comprising a nickel extraction step of extracting nickel ions into an organic phase from the cobalt extraction residue obtained after extraction of cobalt ions in the cobalt extraction step, and then performing back extraction on the organic phase containing nickel ions. A method for producing a high purity cobalt sulfate solution according to any one of claims 1 to 4. 前記コバルト抽出工程が、コバルトイオンを抽出した溶媒をスクラビングすることを含む、請求項1~のいずれか一項に記載の高純度硫酸コバルト溶液の製造方法。 The method for producing a high-purity cobalt sulfate solution according to any one of claims 1 to 5, wherein the cobalt extraction step includes scrubbing a solvent from which cobalt ions have been extracted. 少なくともコバルト及びニッケルを含むリチウムイオン電池スクラップを処理して、電池粉末を得る前処理と、前記電池粉末を湿式で処理して前記硫酸コバルト溶液を得る湿式処理とを含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の高純度硫酸コバルト溶液の製造方法。 Claims 1 to 6, comprising a pretreatment to obtain a battery powder by processing lithium ion battery scrap containing at least cobalt and nickel, and a wet processing to obtain the cobalt sulfate solution by wet processing the battery powder. A method for producing a high purity cobalt sulfate solution according to any one of the items. 前記前処理が、前記リチウムイオン電池スクラップに対する焙焼工程、破砕工程及び篩別工程を含む請求項7に記載の高純度硫酸コバルト溶液の製造方法。 The method for producing a high-purity cobalt sulfate solution according to claim 7, wherein the pretreatment includes a roasting step, a crushing step, and a sieving step for the lithium ion battery scrap. 請求項1~8のいずれか一項に記載の高純度硫酸コバルト溶液の製造方法により製造された高純度硫酸コバルト溶液中のコバルトイオンを結晶化させ、硫酸コバルトを得る結晶化工程を含む、硫酸コバルトの製造方法。 Sulfuric acid comprising a crystallization step of crystallizing cobalt ions in a high purity cobalt sulfate solution produced by the method for producing a high purity cobalt sulfate solution according to any one of claims 1 to 8 to obtain cobalt sulfate. Cobalt production method. 前記結晶化工程で、ニッケル含有量が10質量ppm以下である硫酸コバルトを得る、請求項9に記載の硫酸コバルトの製造方法。 The method for producing cobalt sulfate according to claim 9, wherein cobalt sulfate having a nickel content of 10 mass ppm or less is obtained in the crystallization step.
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