JP7465564B2 - リチウムまたはナトリウムイオン電池の活物質からリチウムまたはナトリウムをそれぞれ回収する方法 - Google Patents
リチウムまたはナトリウムイオン電池の活物質からリチウムまたはナトリウムをそれぞれ回収する方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、リチウムおよび/またはナトリウムイオン電池の活物質からリチウムおよび/またはナトリウムを回収する方法に関する。
本明細書における以前に公開された文書のリストまたは議論は、その文書が最新技術の一部であるか、または一般的な知識であることの承認として必ずしも解釈されるべきではない。
次に、本発明の態様および実施形態を、以下の番号が付けられた項を参照することによって説明する。
リチウムまたはナトリウムイオン電池の活物質からリチウムまたはナトリウムをそれぞれ回収する方法であって、
(a)リチウムまたはナトリウムイオンを含んで成る活物質を供給すること、
(b)溶媒とレドックス・メディエータとを含んで成るレドックス溶液に前記活物質を加えて、第1タンク内でリチウムまたはナトリウムイオンを形成すること、
(c)前記レドックス溶液を前記第1タンクからカソード電極(または正極電極;cathode electrode)を有するカソード室(;または正極室または正極区画;cathode compartment)と、イオン選択膜によって分離されたアノード電極(または負極電極;anode electrode)を有するアノード室(または負極室、または負極区画;anode compartment)とを含むレドックス・フローセルに移動させること、ならびに
(d)前記カソード電極上での電気化学反応を介して前記カソード室内の前記リチウムイオンをLiOHとして捕捉し、得られた水性LiOHカソード溶液を第2タンクに移すこと、
を含んで成り、
前記カソード電極および前記アノード電極は電源に接続されており、
前記レドックス溶液は、アノード電極上で電気化学反応に付され、ここで、前記アノード電極上で電気化学反応が起こり、
前記レドックス・メディエータを再生し、次いで前記第1タンクに戻し、ならびにイオン選択膜を介して前記リチウムイオンを前記カソード室へ輸送することを可能とし、前記水性カソード溶液を含んで成る第2タンクから得られるものとして水性カソード溶液(または水性カソード液溶液;aqueous catholyte solution)を含んで成り、
前記活物質が消費されるまでステップ(c)および(d)を繰り返し得る、方法。
項2
前記活物質がカソード活物質(または正極活物質;cathodic active material)および/またはアノード活物質(または負極活物質;anodic active material)である、項1に記載の方法。
項3
前記カソード活物質が、分解されたナトリウム-もしくはリチウム-イオン電池のカソード電極に依然として取り付けられているか、または前記カソード電極から解放されて供給される、項2に記載の方法。
項4
前記カソード活物質は、1または複数のNaFePO4、NaCoO2、より具体的には、LixFePO4、LixNiCoMnO2、LixCoO2、LixFePO4、LixNi00.33Co0.33Al0.33O2、LixMn2O4、LixNi0.5Mn1.5O4、およびLixCoO2から選択される(0<x≦1)、項2または3に記載の方法。
項5
前記カソード活物質はLixFePO4である、項4に記載の方法。
項6
前記レドックス・メディエータは、フェリシアン化物(またはフェリシアニド;ferricyanide)(M3Fe(CN)6)、フェロシアン化物(またはフェロシアニド;ferrocyanide)(M4Fe(CN)6)、フェロセン(C10H10Fe)およびそれらの誘導体、ヨウ化物(MI)ならびに臭化物(MBr)からなる群の1または複数から選択され、この場合、Mは、独立に、Li、Na、KおよびNH4からなる群より選択される、項1~5のいずれか1項に記載の方法。
項7
前記レドックス・メディエータは、フェリシアン化物(M3Fe(CN)6)、フェロシアン化物(M4Fe(CN)6)、ヨウ化物(MI)、ならびに臭化物(MBr)からなる群より選択される1または複数から選択され、この場合、Mは、独立に、Li、Na、KおよびNH4からなる群より選択される、項6に記載の方法。
項8
フェロセンの前記誘導体は、ジ(エチルスルホン酸リチウム)フェロセン(C14H16FeS2O6Li2)である、項7に記載の方法。
項9
前記溶媒中に存在する前記レドックス・メディエータの前記総濃度は、例えば0.2Mのような0.05M~1.5Mである、請求項6~8のいずれか1項に記載の方法。
項10
前記溶媒は、純水である、項2~9のいずれか1項に記載の方法。
項11
前記水性カソード溶液は、水、酸素を含んで成る水、空気を含んで成る水、酸素および二酸化炭素を含んで成る水、または空気および二酸化炭素を含んで成る水の1つから初期に選択される、請求項1~10のいずれか1項に記載の方法。
項12
ステップ(b)および(c)が完了した後に、前記水性カソード溶液は、水性LiOH溶液、酸素を含んで成る水性LiOH溶液、空気を含んで成る水性LiOH溶液、Li2CO3沈殿物とともに酸素および二酸化炭素を含んで成る水性LiOH溶液、またはLi2CO3沈殿物とともに空気および二酸化炭素を含んで成る水性LiOH溶液である、項1~11のいずれか1項に記載の方法。
項13
前記アノード活物質が、分解されたリチウムイオン電池のアノード電極に依然として取り付けられているか、または前記アノード電極から解放されて供給される、項2~12のいずれか1項に記載の方法。
項14
前記アノード活物質は、Li4Ti5O12、グラファイト、シリコン、ハードカーボンの1または複数から選択される、項2~13のいずれか1項に記載の方法。
項15
前記活物質は、カソード活物質である、項1~14のいずれか1項に記載の方法。
本開示の特定の実施形態は、添付の図面を参照して以下により完全に説明される。
驚くべきことに、リチウムまたはナトリウムは、従来の湿式製錬抽出プロセスと比較して、二次汚染の発生が少ない、改良された低コストの方法で回収できることがわかっている。さらに、この方法は、浸出と分離を1つのステップに組み合わせ、同時に継続的に進行するため、現在の方法を操作する装置がはるかにコンパクトで効率的になる。電気自動車、エネルギー貯蔵、電子機器の需要の増加により大量の使用済みリチウムイオン電池が蓄積されているため、この方法は、この貴重な廃棄物をリサイクルするという重大な課題に対処するための商業的に実行可能なソリューション、特にリチウムイオン電池技術の持続可能性を提供する可能性がある。
(a)リチウムまたはナトリウムイオンを含んで成る活物質を供給すること、
(b)溶媒とレドックス・メディエータとを含んで成るレドックス・メディエータ溶液に前記活物質を加えて、第1タンク内でリチウムまたはナトリウムイオンを形成すること、
(c)前記レドックス溶液を前記第1タンクからカソード電極を有するカソード室と、イオン選択膜によって分離されたアノード電極を有するアノード室とを含むレドックス・フローセルに移動させること、前記カソード電極と、アノード電極とは電源に接続されており、
前記レドックス溶液は、アノード電極上で電気化学反応に付され、アノード電極上で電気化学反応が起こり、
前記レドックス・メディエータを再生し、次いで前記第1タンクに戻し、イオン選択膜を介して前記リチウムイオンを前記カソード室に輸送することを可能とし、前記水性カソード溶液を含んで成る第2タンクから得られるものとして水性カソード溶液を含んで成り、
(d)カソード電極上での電気化学反応を介してカソード室内のリチウムイオンをLiOHとして捕捉し、得られたLiOHカソード液水溶液を第2タンクに移すこと、
を含んで成り、
前記活物質が消費されるまでステップ(c)および(d)を繰り返し得る。
または
本明細書で言及され得る本発明の特定の実施形態において、グライム溶媒はテトラグライムである。
(a)リチウムイオンを含んで成る活物質を供給すること、
(b)溶媒とレドックス・メディエータとを含んで成るレドックス・メディエータ溶液に前記カソード活物質を加えて、第1タンク内でリチウムイオンを含んで成るレドックス溶液を形成すること、
(c)前記レドックス溶液を前記第1タンクからカソード電極を有するカソード室と、イオン選択膜によって分離されたアノード電極を有するアノード室とを備えるレドックス・フローセルに移動させること、ならびに
(d)前記カソード電極上での電気化学反応を介して前記カソード室内のリチウムイオンをLiOHとして捕捉し、得られた水性LiOHカソード溶液を第2タンクに移すこと、
を含んで成り、
前記カソード電極およびアノード電極は電源に接続されており、
前記レドックス溶液は、前記アノード電極上で電気化学反応に付され、アノード電極上で電気化学反応が起こり、
前記レドックス・メディエータを再生し、次いで前記第1タンクに戻し、イオン選択膜を介して前記リチウムイオンを前記カソード室に輸送することを可能にし、前記水性カソード溶液を含んで成る第2タンクから得られるものとして水性カソード溶液を含んで成り、
前記活物質が消費されるまでステップ(c)および(d)を繰り返し得る
LixFePO4+[Fe(CN)6]3-→FePO4+[Fe(CN)6]4-+xLi+
(1)
[Fe(CN)6]4-→[Fe(CN)6]3-+e- (2)
O2+2H2O+4Li++4e-→4LiOH (3)
2H2O+2e-+2Li+→H2↑+2LiOH (4)
2LiOH+CO2→Li2CO3+H2O (5)
(a)リチウムイオンを含んで成るアノード活物質を供給すること、
(b)溶媒とレドックス・メディエータとを含んで成るレドックス・メディエータ溶液に前記活物質を加えて、第1タンク内でリチウムイオンを含んで成るレドックス溶液を形成すること、
(c)前記レドックス溶液を前記第1タンクからカソード電極を有するカソード室と、イオン選択膜によって分離されたアノード電極を有するアノード室とを含むレドックス・フローセルに移動させること、ならびに
(d)カソード電極上での電気化学反応を介してカソード室内のリチウムイオンをLiOHとして捕捉し、得られた水性LiOHカソード溶液を第2タンクに移すこと
を含んで成り、
前記カソード電極と、アノード電極とは電源に接続されており、
前記レドックス溶液は、アノード電極上で電気化学反応に付され、カソード電極上で電気化学反応が起こり、
前記レドックス・メディエータを再生し、次いで前記第1タンクに戻し、イオン選択膜を介して前記リチウムイオンをカソード室へ輸送することを可能とし、前記水性カソード溶液を含んで成る第2タンクから得られるものとして水性カソード溶液を含んで成り、
前記アノード活物質が消費されるまでステップ(c)および(d)を繰り返し得る。
(1)現在の方法は浸出試薬としてレドックス・メディエータを使用するが、従来のプロセスは浸出試薬として強酸(H2SO4)を使用する。
(2)現在の方法では、浸出試薬はその場で再生して再利用・リサイクルできるが、従来のプロセスでは再利用できない(二次廃棄物が発生し、追加コストが発生する)。
(3)現在の方法では、統合されたセットアップを使用してLi+を他の元素から分離するが、従来のプロセスでは、分離のためにLi+と他の元素を沈殿させるために追加の化学物質(例えば、強塩基または炭酸塩)が必要である。
(4)現在の方法の浸出および分離プロセスは、従来のプロセスが異なる試薬を使用する2段階のプロセスであるのに対し、同時にかつ連続的に進行できる。
本発明の一実施形態は、リチウムイオン電池(LIB)の活物質からリチウムを回収する方法に関する。この方法は、従来の湿式冶金抽出プロセスの問題に対処することが示されている、新しいレドックス・ターゲット・ベースのリチウムイオン電池リサイクルプロセスを含む。
レドックス・ターゲッティング・ベースの浸出および分離プロセスの動作原理は、図1および以下の式を参照して示される。
で算出される。
LixFePO4+[Fe(CN)6]3-→FePO4+[Fe(CN)6]4-+xLi+
(1)
[Fe(CN)6]4-→[Fe(CN)6]3-+e- (2)
O2+2H2O+4Li++4e-→4LiOH (3)
2H2O+2e-+2Li+→H2↑+2LiOH (4)
2LiOH+CO2→Li2CO3+H2O (5)
原料は、以下のソースから購入した。
LiOH(試薬グレード)およびPB(試薬グレード)は、シグマ・アルドリッチから購入した。
LiFePO4はシグマ・アルドリッチから購入した。
Nafion117膜はDupontから購入した。
カーボン・フェルトは電極として使用した。
電池材料のサイクリングのための現在の方法を検証するために、3.8gのLiFePO4をカソード電極シートのアルミニウム箔基板から削り取り、第1タンク内の0.2M Li3Fe(CN)6溶液(60mL)に浸漬した。脱イオン水(H2O、30mL、塩無添加)を第2タンクにおけるカソード液として使用した。この配置では、HER(式4)が支配的であり、O2をバブリングすることにより、ORR(式3が支配的)になる。カソード液(または正極液;catholyte)とアノード液(または負極液;anolyte)の両方が、レドックス・フローセルおよびタンクを流れるようにポンプで送られた。外部回路とセルとの間を循環する電流は、電極面積4cm2(電極の全表面積)で20mAに維持された。
図2aに示すように、充電プロセスの最後に、550mAhの充電容量で1.8Vまで電圧が徐々に上昇することが観察された。「動作原理」のセクションに記載されている式に基づいて、充電容量に基づく約90%の浸出効率が算出された。充電後、カソード液を収集し、70℃のオーブンで乾燥させて水を蒸発させた。カソード液を一晩乾燥させた後、LiOHの白い粉末(図2b)が得られた。得られたLiOHは、FTIRによって特徴付けられた(スペクトルは図3に示されている)。この量は、セルの充電容量とほぼ一致していた。
使用済み電池のアノードからLi4Ti5O12をこすり取り、第1タンク内の0.2M Li3Fe(CN)6溶液(60mL)に浸漬した。脱イオン水(H2O、30 mL、塩無添加)を第2タンクのカソード液として使用した。カソード液およびアノード液の両方が、レドックス・フローセルおよびタンクを流れるようにポンプで送られた。外部回路とセルとの間を循環する電流は、4cm2の電極面積で20mAに維持された。
NaFePO4/NaCoO2を使用済みナトリウムイオン電池のカソードからこすり取り、第1タンク内の0.2M Na3Fe(CN)6溶液(60mL)に浸漬した。脱イオン水(H2O、30mL、塩無添加)を第2タンクのカソード液として使用した。カソード液およびアノード液の両方が、レドックス・フローセルおよびタンクを流れるようにポンプで送られた。外部回路とセルとの間を循環する電流は、4cm2の電極面積で20mAに維持された。
さらなる開発には、LIB内の電解質をリサイクルまたは処理する方法の研究が含まれる。前記電解質には、H2Oと接触するとHFを放出する、例えば、LiPF6のようなリチウム塩が含まれている場合がある。したがって、前記電解質は、現在の方法の浸出プロセスの前に除去すべきである。
100 第1タンク
200 第2タンク
310 カソード室
315 カソード電極
320 アノード室
325 アノード電極
330 イオン選択膜
350 第1流体経路
360 第2流体経路
Claims (14)
- リチウムイオン電池またはナトリウムイオン電池の活物質からリチウムまたはナトリウムをそれぞれ回収する方法であって、
(a)リチウムイオンまたはナトリウムイオンを含んで成る活物質を供給すること、
(b)溶媒とレドックス・メディエータとを含んで成るレドックス・メディエータ溶液に前記活物質を加えて、第1タンク内でリチウムまたはナトリウムイオンを形成すること、
(c)前記レドックス溶液を前記第1タンクからカソード電極を有するカソード室と、イオン選択膜によって分離されたアノード電極を有するアノード室とを含むレドックス・フローセルに移動させること、ならびに
(d)前記カソード電極上での電気化学反応を介して前記カソード室内の前記リチウムイオンをLiOHとして捕捉し、得られた水性LiOHカソード溶液を第2タンクに移すこと、
を含んで成り、
前記カソード電極および前記アノード電極は電源に接続されており、
前記レドックス溶液は、アノード電極上で電気化学反応に付され、ここで、前記アノード上で電気化学反応が起こり、
前記レドックス・メディエータを再生し、次いで前記第1タンクに戻し、ならびにイオン選択膜を介して前記リチウムイオンを前記カソード室へ輸送することを可能とし、前記水性カソード溶液を含んで成る第2タンクから得られるものとして水性カソード溶液を含んで成り、
前記活物質が消費されるまでステップ(c)およびステップ(d)を繰り返し得る、方法。 - 活物質がカソード活物質および/またはアノード活物質である、請求項1に記載の方法。
- 前記カソード活物質が、分解されたナトリウム-イオン電池もしくはリチウム-イオン電池のカソード電極に依然として取り付けられているか、または前記カソード電極から解放されて供給される、請求項2に記載の方法。
- 前記カソード活物質は、1または複数のNaFePO4、NaCoO2、より具体的には、LixFePO4、LixNiCoMnO2、LixCoO2、LixFePO4、LixNi00.33Co0.33Al0.33O2、LixMn2O4、LixNi0.5Mn1.5O4、およびLixCoO2から選択される(0<x≦1)、請求項2または3に記載の方法。
- 前記カソード活物質はLixFePO4である、請求項4に記載の方法。
- 前記レドックス・メディエータは、フェリシアン化物(M3Fe(CN)6)、フェロシアン化物(M4Fe(CN)6)、フェロセン(C10H10Fe)およびそれらの誘導体、ヨウ化物(MI)ならびに臭化物(MBr)からなる群の1または複数から選択され、この場合、Mは、独立に、Li、Na、KおよびNH4からなる群より選択される、請求項1~5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記レドックス・メディエータは、フェリシアン化物(M3Fe(CN)6)、フェロシアン化物(M4Fe(CN)6)、ヨウ化物(MI)、ならびに臭化物(MBr)からなる群より選択される1または複数から選択され、この場合、Mは、独立に、Li、Na、KおよびNH4からなる群より選択される、請求項6に記載の方法。
- フェロセンの前記誘導体は、ジ(エチルスルホン酸リチウム)フェロセン(C14H16FeS2O6Li2)である、請求項7に記載の方法。
- 前記溶媒中に存在する前記レドックス・メディエータの総濃度は、例えば0.2Mのような0.05M~1.5Mである、請求項6~8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記溶媒は、純水である、請求項2~9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記水性カソード溶液は、水、酸素を含んで成る水、空気を含んで成る水、酸素およびCO2を含んで成る水、または空気およびCO2を含んで成る水の1つから初期に選択される、請求項1~10のいずれか1項に記載の方法。
- ステップ(b)およびステップ(c)が完了した後に、前記水性カソード溶液は、水性LiOH溶液、酸素を含んで成る水性LiOH溶液、空気を含んで成る水性LiOH溶液、Li2CO3沈殿物とともに酸素およびCO2を含んで成る水性LiOH溶液、またはLi2CO3沈殿物とともに空気およびCO2を含んで成る水性LiOH溶液である、請求項1~11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記活物質がカソード活物質および/またはアノード活物質であり、
前記アノード活物質が、分解されたリチウムイオン電池のアノード電極にまだ取り付けられているか、または前記アノード電極から解放されて供給される、請求項1~12のいずれか1項に記載の方法。 - 前記活物質がカソード活物質および/またはアノード活物質であり、
前記アノード活物質は、Li4Ti5O12、グラファイト、シリコン、ハードカーボンの1または複数から選択される、請求項1~13のいずれか1項に記載の方法。
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