ホワイトペーパー
LiB廃棄物向けのSHARP™技術
合理化された湿式冶金高度リサイクルプロセス
テクノロジー担当シニアディレクター
ガザレー・ナザリ博士
要約
Coherentは、リチウムイオン電池（LiB）から回収されるブラックマスからクリティカルメタルを効率的に回収して、高価値の電池材料を製造するための合理化された湿式冶金高度リサイクルプロセス（SHARP：Streamlined Hydrometallurgical Advanced Recycling Process）技術を開発し、実証しました。この技術はスケールアップに成功しました。影響は次のとおりです。
#1.品質：原材料の柔軟性。クリティカルメタルの95%超を回収、LiB製造に適したカソード前駆体およびカソード材料の製造。
#2。環境：一般的な湿式冶金加工方法に比べ、エネルギー使用量、水消費量、総排出量をそれぞれ60％、70％、60％削減。液体排出ゼロ、有毒な固体、気体、液体廃棄物の発生なし、貴重な副産物の生成。
#3。コスト：この合理化された加工方法により、一般的な湿式冶金加工方法に比べ、資本コストを少なくとも50％、試薬と加工のコストを50％削減することができます。
ほとんどの湿式冶金加工方法の場合、クリティカルメタルの分離には複雑で繊細な溶媒抽出加工段階が必要です。また、多くの設備と広い設置面積が必要で、その結果、資本経費が高くつきます。SHARP技術では、いくつかの金属分離工程がバイパスされます。カソード前駆体およびカソード材料は、クリティカルメタルの分離や精製が不要で、電池廃棄物から直接製造されます。この技術は、製品の品質と加工方法の経済的なメリットを実証するために、より大規模で連続的な構成でスケールアップされ、検証されています。パイロットプラントの運転は成功し、スケールアップのリスクが低いことが確認されました。これは、加工方法に必要な機器が湿式冶金業界で一般的に使用され、成功を収めてきた実績があるためです。また、リスクの低減、正確な商業プラントの規模の設定、迅速な立ち上げ、高品質な製品の確実な製造を目的として、段階的なスケールアップが実施されています。
成長する機会
電気自動車（EV）市場の成長を維持するには、原材料の確保が重要です。電池アプリケーションのあらゆる新展開が予測される中、使用済み（EOL）LiBのリサイクルはますます重要になってきています。リチウムイオン電池の改造や再利用の可能性はありますが、最終的には廃棄する必要があります。今後、EV市場でLiBの需要が急増すれば、LiBは大型で回収しやすいため、リサイクルが容易になります。EV用電池は通常10～12年で寿命を迎えるため、これらの電池の初期世代はまだ使用されています。使用済み電池の廃棄は今後数年で急増すると予想されます。
図1に示すように、製造工程から発生するスクラップもリサイクルのための重要な原料です。LiB製造のスクラップ率は、最大の製造者で約5％、一般的な製造者で約10％、スタートアップ段階では30％以上にもなります。EVの急速な普及を考慮すると、この10年間で大量の電池素材が廃棄されることが予想されます。電池素材はLiB廃棄物の大半を占めています。このため、リサイクルの必要性が非常に高まっています。2020年から2030年にかけてのLiB製造による廃棄物は1500万トンを超えると予測されています。
図1. リチウムイオン電池のライフサイクル。
重要な有価金属とその管理
一次供給源からのこれらの電池用クリティカルメタルのサプライチェーンの最近の評価では、地理的集中に伴う政治的、安全保障的、ビジネス的リスクなど、さまざまなリスクが明らかになっています。リチウムの場合、世界の鉱石供給量の約半分はオーストラリア産で、精製と国内での使用のために中国に輸出されています。ラテンアメリカもリチウムの別の主要サプライヤーですが、この地域はバリューチェーンを向上させ、厳しい政治情勢の中で事業を展開する必要に迫られています。
現在のEV電池設計で最も価値のある金属であるコバルトは、サプライチェーンを混乱させる可能性があるため、リスクの高い鉱物として評価されています。これは主に、世界のコバルト供給量の半分以上がコンゴ民主共和国で採掘されているためで、労働や人権侵害の問題に対する懸念が高まっています。
低コバルトまたはコバルトフリーの電池設計に関する研究と実験は、性能を損なうことなくコバルトへの依存度を減らすことを目的としています。ほとんどの解決策は、高ニッケルNMC化学物質（これによってニッケルの需要がさらに増加し、価格も上昇します）または低比重LFPの使用（これは引き続き、Liに大きく依存しています）に頼っています。
EVへの移行は、化石燃料の使用を抑制し、気候変動と戦うための多くの国の環境政策の主要な要素です。しかし、EVのライフサイクル分析では、原料の採掘、加工方法、備蓄、使用済みLiBの廃棄が環境に大きな影響を与えることが明らかになっています。EVの環境への全体的な負荷を大幅に低減する鍵は、使用済みLiBをリサイクルすることです。LiB中の金属濃度は鉱石中の濃度を上回ることが多く、回収が比較的容易です。これにより、天然資源を大幅に節約し、加工方法におけるエネルギー消費を抑え、有毒廃棄物をなくすことができます。
LiBのリサイクル加工方法
LiBは耐用年数が過ぎると回収され、リサイクル施設に移されます。電池はまず放電され、蓄積された残留エネルギーを完全に排出します。その後、手作業で、またはシュレッダーや粉砕機で電池モジュールを粉砕して、電池を解体します。これにより、一般に「ブラックマス」と呼ばれるものから、鉄、プラスチック、アルミニウム、銅などの材料を分離するためにふるいにかけられる顆粒が生成されます。図2は、LiBsの成分を重量パーセントで示しています。
LiB廃棄物を加工するための既存の商業的経路は、中心的な加工方法として製錬を採用する高温冶金加工方法です。この方法には、高いエネルギー消費、コストのかかる有毒ガス処理、スラグへのリチウムの損失といった大きな障害があります。さらに、回収された金属は、電池製造には適さない形状をしており、個々の金属化合物に分離する追加の加工方法が必要です。
湿式冶金加工方法は、乾式冶金加工方法の制限を回避するものですが、独自の課題があります。ほとんどの湿式冶金加工方法は、溶媒抽出を伴います。この加工方法には、抽出、スクラビング、ストリッピングの多くの段階が必要であり、複雑な装置と大きな設置面積が必要となるため、設備投資がかさみます。さらに、これらの加工方法は、大量の試薬、燃料、電力を消費し、大量の加工廃液を発生させます。現在まで、LiB廃棄物の回収のために商業的に導入された湿式冶金加工方法はありません。
図2. LiBの成分の重量パーセント。
効率的な湿式冶金加工方法を導入することで、ブラックマス中の有価金属の回収率は95％超になります。機械的な分離加工方法と組み合わせると、電池の成分の80％超を回収することができます。
Coherentは、世界がより安全で、より身近で、より健康的で、より効率的になることを可能にするという使命の一環として、レアメタル精錬の世界的リーダーであり、環境・衛生・安全（EHS）と卓越した品質に関して優れた実績を誇っています。また、抽出冶金において30年以上の豊富な専門知識を持っており、有能で経験豊富なエンジニアと化学者を中心に、さまざまな新製品や加工方法を開発しています。このような技術革新の1つが、LiBから回収したブラックマスからクリティカルメタルを効率的に回収するSHARP技術の開発です。
当社の技術は、クリティカルメタルを効率的に回収して、電池グレードの材料を製造するために、技術的に実現可能であることを確認し、スケールアップに成功しています。パイロットプラントの運転は、より大規模で連続的な構成で実証されており、その経済的メリットも確立されています。また、リスクの低減、正確な商業プラントの規模の設定、迅速な立ち上げ、高品質な製品の確実な製造を目的として、段階的なスケールアップが実施されています。
図3は、前述の現在の技術的状況に対する提案技術のメリットを強調したものです。乾式冶金加工方法とは異なり、リチウムは回収され、有毒ガスも発生しません。一般的な湿式冶金加工方法とは異なり、供給の大部分は分離工程と精製工程を省略して、低コストで簡素化されたリサイクル工程に進みます。
図3. CoherentのSHARP技術と高温冶金および一般的な湿式冶金加工方法の比較。
SHARP技術のパイロットプラントの結果
Coherent SHARP技術はスケールアップに成功しています（図4）。パイロットプラントの結果、電池用材料が大幅に低コストで製造できることが確認され、環境意識の高い消費者と市場全体の両方に魅力的な価値を提案しています。加工方法の堅牢性を確認するため、パイロットプラントに供給するために選択されたブラックマスは、アルミニウム、鉄、銅、カドミウム、カルシウム、マグネシウム、フッ素、亜鉛などの不純物で汚染されていました。これらの不純物の一部は、NMC LiB廃棄物には含まれないと予想されており、他の種類の電池との相互汚染によってこのブラックマスに含まれていました。ブラックマスからすべての不純物を効率的に除去し、電池グレードの材料を製造することで、高レベルの不純物が存在する場合でも、SHARP技術の堅牢性が確認されました。
図4 :SHARP技術における不純物除去工程用の一連の反応炉。
SHARP技術の商用化の道
パイロットプラントの稼働が成功したため、Coherentは2024年に、この技術を発展させるために遊休資産を活用して既存施設で1,500メートルトン/年（MT/y）の実証プラントを運転する予定です。
Coherentは、2025年にブラックマス20,000 MT/yのLiBリサイクル施設の建設を計画しています。この最新鋭の施設は、LiBの持続可能な管理において重要な役割を果たすと期待されています。このプロジェクトは、相当数の電池をリサイクルし、環境の持続可能性と資源保護に貢献することを目指しています。これらの電池を効果的に加工することで、CoherentはpCAMとして推定11,000 MT/y、10 GWhに相当するLiOH.H2Oを5,500 MT/y製造し、原材料の必要性を減らして廃棄物を最小限に抑える予定です。この取り組みは、電池業界における環境に優しい慣行の世界的な推進に沿ったものであり、電池の廃棄が環境に与える影響や、重要な材料の枯渇に関する懸念に対処することに役立ちます。
Coherentのメリット
- 湿式冶金の経験：
30年以上の専門知識を持つCoherentは、レアメタル精製プラントの運営に携わってきました。Coherentは高純度のテルルとセレンの生産に優れており、世界の需要の大部分を満たしています。 - SHARP技術の堅牢性：
SHARP技術の能力は、NMC LiBに多く含まれるアルミニウム、鉄、銅、フッ素などの不純物を、濃度に関係なく取り扱うことができます。 - スケールアップのリスクが低い：
必要な機器は、湿式冶金業界で成功した実績があり、スケールアップのリスクを最小限に抑えます。 - 多用途性と柔軟性：
SHARP技術は、スクラップの製造にとどまらず、使用済みブラックマスから電池グレードの製品を製造することで、多用途性、を発揮しカドミウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛、タングステン、ジルコニウムなどの不純物に対応しています。高濃度の不純物を含む使用済み電池から得られるブラックマスは、当社のパイロットプラントで効果的に加工処理され、当社の技術の成功を裏付けています。
Coherentでは、高度な技術と適応性を組み合わせた卓越性への取り組みにより、将来に向けた持続可能なイノベーションの最前線で、LiBのリサイクルと電池材料の生産のリーダーとしての地位を確立しています。