WO2015093590A1 - 電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】大量に排出されるタイヤ等の硫黄を含有するゴム類を電池として有効に再生利用すること。 【解決手段】本発明では、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料とし、原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、前記乾留ガスを冷却して油分とガスとに分離し、油分を蒸留して重質油と軽質油と硫黄とに分離し、重質油と硫黄とを混練し熱処理することで電池の正極活物質を製造し、前記固形物を金属と炭化物とに選別し、炭化物を熱処理することで電池の正極導電材や負極活物質を製造し、前記正極活物質と前記正極導電材とを用いて電池の正極集電体を製造し、前記負極活物質を用いて負極集電体を製造し、前記正極集電体や負極集電体を用いて電池を製造することにした。

Description

電池の製造方法
　本発明は、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料に用いて電池（電池に用いられる正極活物質、正極導電材、正極集電体、負極活物質）を製造する方法に関するものである。
　従来より、硫黄を含有するゴム類は、タイヤに代表されるように大量に製造され、製品として流通した後に廃品として回収され、また、製品の製造過程において余剰のものが廃棄物として回収される。
　回収されたゴム類は、再生利用するために処理プラントで処理される。処理プラントでは、熱分解炉を用いてゴム類を熱分解する処理が行われている（たとえば、特許文献１参照。）。
特開２００５－８６７７号公報
　ゴム類は、上記の処理プラントで熱分解処理された再生物を熱源として利用している程度で、資源として有効に再生利用されていなかった。
　一方、近年では、電気製品の普及や電気自動車の開発などによってリチウムイオン二次電池等の電池が注目されており、特に電池の大容量化が望まれている。
　そこで、本発明者は、大量に排出されるタイヤ等の硫黄を含有するゴム類を電池として有効に再生利用する方法について鋭意研究を重ねたところ、本発明を成すに至った。
　請求項１に係る本発明では、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料に用いて電池を製造する電池の製造方法において、原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、前記乾留ガスを冷却して油分とガスとに分離し、油分を蒸留して重質油と軽質油と硫黄とに分離し、重質油と硫黄とを混練し熱処理することで正極活物質を製造することにした。
　また、請求項２に係る本発明では、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料に用いて電池を製造する電池の製造方法において、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料とし、原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、前記乾留ガスを冷却して油分とガスとに分離し、油分を蒸留して重質油と軽質油と硫黄とに分離し、重質油と硫黄とを混練し熱処理することで電池の正極活物質を製造し、前記固形物を金属と炭化物とに選別し、炭化物を熱処理することで電池の正極導電材を製造し、前記正極活物質と前記正極導電材とを用いて電池の正極集電体を製造することにした。
　また、請求項３に係る本発明では、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料に用いて電池を製造する電池の製造方法において、原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、前記固形物を金属と炭化物とに選別し、炭化物を熱処理することで電池の正極導電材を製造することにした。
　また、請求項４に係る本発明では、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料に用いて電池を製造する電池の製造方法において、原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、前記固形物を金属と炭化物とに選別し、炭化物を熱処理することで電池の負極活物質体を製造することにした。
　本発明では、大量に排出されるタイヤ等の硫黄を含有するゴム類を電池として有効に再生利用することができる。
ゴム類の処理を示す工程図。 電池の充放電特性を示す説明図。 電池の充放電特性を示す説明図。 電池の充放電特性を示す説明図。
　以下に、本発明に係る電池（電池に用いられる正極活物質、正極導電材、正極集電体、負極活物質）の製造方法の具体的な構成について図面を参照しながら説明する。
　本発明は、図１に示すように、原料としてゴム類を用い、電池で使用する正極活物質や正極導電材や負極活物質を製造し、また、正極活物質と正極導電材とを用いて正極集電体を製造し、負極活物質から負極集電体を製造し、さらに、正極集電体や負極集電体を用いて電池を製造することで、ゴム類を再生利用できるようにしている。
　ここで、ゴム類としては、使用後に廃棄されるタイヤ等の各種の硫黄やケイ素を含有するゴム製品やその製造過程で欠損品や余剰材料として発生して廃棄される硫黄やケイ素を含有するゴムを主成分とする廃棄物を用いることができる。
　まず、原料となるゴム類を熱分解炉を用いて熱分解処理する。これにより、固体状の固形物と気体状の乾留ガスとに分離される。
　ゴム類から熱分解によって分離された固形物は、選別機を用いて選別処理される。これにより、金属と炭化物とに選別される。
　固形物から選別された金属は、金属資源として再生利用できる。
　一方、固形物から選別された炭化物は、粉砕機を用いて粉砕した後に熱処理機を用いて熱処理（2400℃～2800℃）することで含有する亜鉛を除去し、中空状の高導電材とすることができる。それをそのまま電池の正極導電材として再生利用することができる。また、さらに洗浄することで含有する鉄を除去してから電池の正極導電材として再生利用することもできる。この炭化物は、粉砕後に炭化賦活することで、或いは、粉砕後に熱処理した後に炭化賦活することで、キャパシタ用活物質や燃料電池触媒用担体物質として利用することもできる。さらに、炭化物は、微粉化して電池の負極活物質として再生利用することもでき、その負極活物質をバインダーを用いて成形することで電池の負極集電体として再生利用することもできる。
　また、ゴム類から熱分解によって分離された乾留ガスは、冷却機を用いて冷却処理される。これにより、液体状の油分と気体状のガス分（非凝縮ガス）とに分離される。
　ここで、冷却機による冷却温度によって重油と非凝縮ガスとの生成比率や成分を制御することができる。冷却温度を低くすると、重油の生成比率が増大するとともに非凝縮ガスに含まれる炭化水素量が減少する。そのため、非凝縮ガスの炭化水素濃度を検出器で検出し、濃度が一定となるように冷却温度を制御することもできる。
　乾留ガスから分離された非凝縮ガスは、安全器を用いて減圧した後に、脱硫機を用いて脱硫処理する。これにより、非凝縮ガスから硫黄分が含まれていない炭化水素ガスを回収することができる。回収された炭化水素ガスは、分留機等を用いてガスの成分別に回収するようにしてもよい。このようにして回収された炭化水素ガスは、硫黄分を含んでおらず、炭素を多く含有しているために、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなどの原料として有効に利用することができる。また、脱硫機で回収された硫黄は、後述する正極活物質の製造に有効利用することもできる。
　一方、乾留ガスから分離された油分は、蒸留機を用いて硫黄の沸点以上の温度で蒸留処理される。これにより、硫黄が大量に含有する軽質油が分離され、硫黄がほとんど含有しない重質油が残留する。硫黄を含有する軽質油は、脱硫処理することで、硫黄と軽質油とに分離して回収する。そして、分離された軽質油は、燃料として再生利用することができる。また、分離された重質油と硫黄は、混練機を用いて混練し、熱処理機で熱処理（還流熱処理やオートクレープ処理）することで固体状の正極活物質を製造することができる。なお、正極活物質の製造に用いる硫黄は、重質油を抽出したゴム類を原料とするものに限られず、他の原料から生成したものや市販品を用いてもよく、これらを混合したものでもよい。
　そして、本発明では、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料とし、原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、乾留ガスを冷却して油分とガス分とに分離し、油分を蒸留して重質油と軽質油と硫黄とに分離し、重質油と硫黄とを混練し熱処理することで電池の正極活物質を製造することができる。
　このようにして製造された正極活物質を粉砕し、これを導電材とバインダーと溶剤に混合して成型することで電池（正極集電体）を製造した。なお、導電材やバインダーや溶剤には、既存のコバルトを活物質として用いたリチウムイオン二次電池と同一のものを同一比率で用いた。その結果、既存のコバルトを用いたリチウムイオン二次電池では、重量毎の容量が２００ｍＡｈ／ｇ程度であったのに対して、図２に示すように、本発明に係る電池では、４００ｍＡｈ／ｇを超える容量のものが製造できた。なお、図２は、本発明に係る電池の充放電特性を示しており、正極活物質１ｇ当たり５０ｍＡの電流で放電終止電圧１．０Ｖ、充電終止電圧３．０Ｖで充放電を繰返し行ったものである。初期放電では９００ｍＡｈ／ｇを超える容量となっており、１１回の充放電を繰返し行っても４００ｍＡｈ／ｇを超える容量となっている。
　このように、本発明に係る正極活物質では、電池の容量を増大させることができる。
　また、本発明では、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料とし、原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、固形物を金属と炭化物とに選別し、炭化物を熱処理することで電池の正極導電材を製造することができる。
　このようにして製造された正極導電材を上記本発明に係る正極活物質とバインダーと溶剤に混合して成型することで電池（正極集電体）を製造した。なお、バインダーや溶剤には、既存のコバルトを活物質として用いたリチウムイオン二次電池と同一のものを同一比率で用いた。正極活物質は上記と同一のものを同一比率で用いた。その結果、上記本発明に係る正極活物質と既存の導電材を用いたリチウムイオン二次電池では、初期放電での重量毎の容量が９００ｍＡｈ／ｇを超える程度であったのに対して、図３に示すように、既存の導電材に替えて本発明に係る正極導電材を用いた電池では、１０００ｍＡｈ／ｇを超える容量のものが製造できた。なお、図３は、本発明に係る電池の充放電特性を示しており、点線が上記本発明に係る正極活物質と既存の導電材を用いたリチウムイオン二次電池の特性（図２と同様）を示し、実線が本発明に係る正極活物質と正極導電材を用いたリチウムイオン二次電池の特性を示し、図２と同様に、正極活物質１ｇ当たり５０ｍＡの電流で放電終止電圧１．０Ｖ、充電終止電圧３．０Ｖで充放電を行ったものである。
　このように、本発明に係る正極導電材では、電池の初期の容量を増大させることができる。
　さらに、本発明では、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料とし、原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、固形物を金属と炭化物とに選別し、炭化物を熱処理することで電池の負極活物質を製造することができる。
　このようにして製造された負極活物質を粉砕し、これをバインダーに混合して成型することで電池（負極集電体）を製造した。なお、バインダーは、既存の黒鉛を活物質として用いたリチウムイオン二次電池と同一比率で用いた。その結果、既存の黒鉛を用いたリチウムイオン二次電池では、重量毎の容量が３６０ｍＡｈ／ｇ程度であったのに対して、図４に示すように、本発明に係る電池では、９００ｍＡｈ／ｇを超える容量のものが製造できた。なお、図４は、本発明に係る電池の充放電特性を示しており、負極集電体１ｇ当たり５０ｍＡの電流で放電終止電圧０．０３Ｖ、充電終止電圧１．５Ｖで充放電を繰返し行ったものである。初期放電では１２００ｍＡｈ／ｇを超える容量となっており、５回の充放電を繰返し行っても９００ｍＡｈ／ｇを超える容量となっている。
　このように、本発明に係る負極活物質では、電池の容量を増大させることができる。
　以上に説明したように、本発明では、タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料とし、原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、前記乾留ガスを冷却して油分とガス分とに分離し、油分を蒸留して重質油と軽質油と硫黄とに分離し、重質油と硫黄とを混練し熱処理することで電池の正極活物質を製造し、固形物を金属と炭化物とに選別し、炭化物を熱処理することで電池の正極導電材や負極活物質を製造し、正極活物質と正極導電材とを用いて電池の正極集電体を製造し、負極活物質を用いて電池の負極集電体を製造し、正極集電体や負極集電体を用いて電池を製造することができる。なお、本発明に係る正極活物質、正極導電材、正極集電体、負極活物質、負極集電体は、これらから同一の電池を製造する場合に限られず、それぞれ別個の電池を製造する場合に利用することもできる。
　これにより、本発明では、大量に排出されるタイヤ等の硫黄を含有するゴム類を電池として有効に再生利用することができる。

Claims (4)

  1. 　タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料に用いて電池を製造する電池の製造方法において、
    　原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、前記乾留ガスを冷却して油分とガスとに分離し、油分を蒸留して重質油と軽質油と硫黄とに分離し、重質油と硫黄とを混練し熱処理することで正極活物質を製造することを特徴とする電池の製造方法。
  2. 　タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料に用いて電池を製造する電池の製造方法において、
    　タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料とし、原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、
    　前記乾留ガスを冷却して油分とガスとに分離し、油分を蒸留して重質油と軽質油と硫黄とに分離し、重質油と硫黄とを混練し熱処理することで電池の正極活物質を製造し、
    　前記固形物を金属と炭化物とに選別し、炭化物を熱処理することで電池の正極導電材を製造し、
    　前記正極活物質と前記正極導電材とを用いて電池の正極集電体を製造することを特徴とする電池の製造方法。
  3. 　タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料に用いて電池を製造する電池の製造方法において、
    　原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、前記固形物を金属と炭化物とに選別し、炭化物を熱処理することで電池の正極導電材を製造することを特徴とする電池の製造方法。
  4. 　タイヤ等の硫黄を含有するゴム類を原料に用いて電池を製造する電池の製造方法において、
    　原料を熱分解して固形物と乾留ガスとに分離し、前記固形物を金属と炭化物とに選別し、炭化物を熱処理することで電池の負極活物質を製造することを特徴とする電池の製造方法。
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