JP2011181448A - ナトリウム−硫黄電池の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理装置に不具合を引き起こすことなく、しかも簡便な操作で効率的に一度に大量の使用済みＮａＳ電池を処理することが可能な前処理方法を提供する。
【解決手段】使用済みのナトリウム−硫黄電池を放電末状態にし、負極に残存する金属ナトリウム５を減少させるとともに、正極を硫黄が存在しない多硫化ナトリウムＮａ_２Ｓ_ｘ（ｘ＝３〜５）６からなる一相領域にした後、これを電池の高さ方向１／２以上で切断する。これにより、使用済みナトリウム−硫黄電池を公知の方法で効率的に処理することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、使用済みのナトリウム−硫黄電池を安全かつ大量に廃棄処理することが可能な処理方法に関する。

ナトリウム−硫黄電池（以下、ＮａＳ電池と称することがある。）は、アルミニウム合金製の外周容器の内部にβ−アルミナからなる固体電解質管を設け、固体電解質管の内側に負極活物質である金属ナトリウムを配置し、固体電解質管の外側と外周容器との間に正極活物質である硫黄を配置した構造の高温作動型の二次電池である。

ＮａＳ電池は、放電時にはナトリウムイオン（Ｎａ^＋）が固体電解質管中を移動して正極側に達し、正極の硫黄と反応して多硫化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_ｘ）を生成する反応が起こり、充電時にはこの逆の反応が起こることで作動する。図５は、充電末状態のＮａＳ電池の断面概略図であり、１は外周容器、２は固体電解質（β−アルミナ）管、３は負極蓋、４は電極棒、５は負極活物質（金属ナトリウム）、７は正極活物質（多硫化ナトリウムと硫黄の混合物）である。正極活物質７である硫黄には電子伝導性がないため、電子の授受を効率的に行うには電子伝導補助材料が必要であり、多硫化ナトリウムに対する耐食性および良好な電子伝導性を有し、正極中のイオン移動を妨げない材料として、カーボンフェルトなどが使用されており、硫黄はカーボンフェルトなどに含浸された状態で正極室内に収容される。また、図示していないが、固体電解質管２と金属ナトリウム５との間には、固体電解質管の破損時に金属ナトリウムと硫黄が直接多量に反応しないようにする目的で、金属材料よりなる有底筒状の安全管が設けられている。

ＮａＳ電池は、電力の大量貯蔵用電池として開発され、商用機器として実用化されているが、その使用寿命は約１０〜１５年と推定されるため、近い将来に多量の使用済みＮａＳ電池が発生することが想定される。

使用済みＮａＳ電池の処理方法として、既に幾つかの方法が提案されている。特許文献１には、電極キャップを切断したうえ外周容器と固体電解質管を破壊し、切断部を下にした状態で乾燥砂を敷いた炉内に置き、過剰の空気存在下で７００〜１０００℃で焼却することで、ナトリウムと硫黄を反応させて硫酸ナトリウムに変え、焼却灰として処分する方法が開示されている。

特許文献１の方法は、その図１に示されているように、使用済みＮａＳ電池は充電状態で処理されており固体電解質管の中には多量の金属ナトリウムが存在する状況となっている。したがって、この方法では、使用済みＮａＳ電池内部で金属ナトリウムと硫黄が直接反応することで発生する反応熱を活用でき、燃焼効率を上げられるという利点はあるが、金属ナトリウムの酸化燃焼によって、焼却炉の炉壁材が損傷を受けるほか、硫黄の酸化燃焼によって大量の亜硫酸ガスが発生するという問題がある。そのため、一度に処理できる使用済みＮａＳ電池の量に制約が生じ、短期間に大量に処理することができない。

また、特許文献２〜４には、ＮａＳ電池中に含まれる金属ナトリウムを回収して再利用する方法が開示されており、電極キャップ部を開口した使用済みＮａＳ電池を、加熱された油を充填した加温槽の内部で倒立させ、開口部から金属ナトリウムを流し出して回収している。

特許文献５には、特許文献２〜４と同様の方法で金属ナトリウムを回収した後、外周容器を剥ぎ取り、この外周容器を加熱炉内で加熱してアルミニウムを溶融させて分離し、外周容器を剥ぎ取った後の残部を加熱炉にて、不活性ガス雰囲気中で加熱して硫黄を蒸発させることにより、硫黄と多硫化ナトリウムを分離回収する方法が開示されている。

上記の特許文献２〜５の処理方法は、金属ナトリウムを回収するために、使用済みＮａＳ電池中にできるだけ多くの金属ナトリウムを残した状態で処理する必要があり、使用済みＮａＳ電池は充電状態で処理される。

しかしながら、金属ナトリウムは反応性の高い物質で、空気中の水分と反応して水素を発生し発火する危険があることから、特許文献２〜５の処理方法では、使用済みＮａＳ電池を、金属ナトリウムが溶融する温度に加熱した油の中で処理するなど、空気との接触を避けながら操作する必要があり、処理作業上大きな制約を受ける。そのため、安全に大量の使用済みＮａＳ電池を処理するには極めて非効率であるという問題がある。

また、使用済みＮａＳ電池中に含まれる金属ナトリウムや硫黄は、消防法で危険物に指定されており、一箇所で保管できる量に制限を受けるという管理上の制約もあるため、使用済みのＮａＳ電池を一度に大量に処理できる効率的な処理方法が求められている。

特開平６−０６０９１５号公報 特開平６−１９６２０９号公報 特開平９−２８９０４３号公報 特開平９−３３０７４４号公報 特開平７−０８５８９８号公報

本発明は、上記の問題点を解決し、処理装置に不具合を引き起こすことなく、しかも簡便な操作で効率的に一度に大量の使用済みＮａＳ電池を廃棄処理することが可能な処理方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明者等は鋭意検討し、使用済みのＮａＳ電池を放電末状態にすることにより、簡易かつ安全に前処理できることを見出し本発明に到達した。

すなわち、本発明は、使用済みのナトリウム−硫黄電池を放電末状態にし、負極に残存する金属ナトリウムを減少させるとともに、正極を硫黄が存在しない多硫化ナトリウムＮａ_２Ｓ_ｘ（ｘ＝３〜５）からなる一相領域にした後、電池の高さ方向１／２以上で切断することを特徴とする使用済みナトリウム−硫黄電池の処理方法を提供する。これにより、電池内部に残存する金属Ｎａや多硫化ナトリウム外気中の酸素と接しやすくなるため、燃焼効率を高めることが可能となる。

また、本発明は、使用済みのナトリウム−硫黄電池を放電末状態にし、負極に残存する金属ナトリウムを減少させるとともに、正極を硫黄が存在しない多硫化ナトリウムＮａ_２Ｓ_ｘ（ｘ＝３〜５）からなる一相領域にした後、電池の高さ方向１／２より深くならないように制御しながら負極蓋より穴あけすることを特徴とする使用済みナトリウム−硫黄電池の処理方法を提供する。これにより、電池内部に残存する金属Ｎａが酸素と接しやすくなるため、燃焼効率を高めることが可能となる。また多硫化ナトリウムを酸素と接しやすくするため、さらに、電池の外周容器に孔や切り込みを設けることが好ましく、前記の孔や切り込みを外周容器と固体電解質管の間の多硫化ナトリウムが存在しない空間部分に設けることがより好ましい。

本発明によれば、使用済みＮａＳ電池を放電末状態にすることにより、負極に残存する金属ナトリウムを充電状態の少なくとも１／２に減らせるので、高炉または焼却炉に投入するなどして廃棄処理する際の前処理を、簡便かつ安全に行うことができ、処理後の使用済みＮａＳ電池を高炉または焼却炉に投入した場合は、外部エネルギーとの接触機会を増やすことができるので、廃電池の燃焼処理を効率的に行うことができる。

ＮａＳ電池の開路電圧と放電深度の関係を示す図である。 放電末状態にした使用済みＮａＳ電池の断面を示す概略図である。 放電末状態にした使用済みＮａＳ電池の胴体部分で切断した状態を示す断面概略図である。 放電末状態にした使用済みＮａＳ電池の負極蓋より穴あけした状態を示す断面概略図である。 充電末状態のＮａＳ電池の断面を示す概略図である。

図１に、ＮａＳ電池の開路電圧と放電深度の関係、ならびに、放電深度と正極および負極の活物質量（計算値）との関係を示す。ＮａＳ電池は、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）が固体電解質管中を移動して正極に達し、多硫化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_Ｘ）を生成する反応が放電反応であり、その逆が充電反応である（式１参照）。放電の進行とともに、ナトリウムと硫黄が反応して多硫化ナトリウムが生成し、放電が進むにつれて、五硫化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_５）と硫黄が共存する二相領域から、五硫化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_５）の一相領域、さらに四硫化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_４）、三硫化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_３）の一相領域へと変化する。

（式１）

ＮａＳ電池において、放電深度の浅い領域（図１で示す放電深度約６０％までの領域）では、正極に硫黄が存在しており、開路電圧はほぼ一定（２．０７５Ｖ）で推移するが、さらに放電深度が深くなり正極に硫黄が存在しなくなると開路電圧は低下し、正極の活物質は、放電深度に応じてＮａ_２Ｓ_５からＮａ_２Ｓ_３までのＮａ_２Ｓ_ｘ（ｘ＝３〜５）のいずれかの組成からなる多硫化ナトリウムの一相領域に変化する。そして、開路電圧が放電終止電圧（図１の例では約１．８２Ｖ）まで低下すると、もはや放電はできなくなり、放電深度１００％となる。放電深度が深くなるにつれて、負極の金属ナトリウムは正極に移動し、減少する。
本発明では、正極が硫黄の存在しない多硫化ナトリウムＮａ_２Ｓ_ｘ（ｘ＝３〜５）からなる一相領域の状態を「放電末状態」という。

使用済みＮａＳ電池を放電末状態にすると、負極の金属ナトリウムの量は、充電末状態（放電深度０％）の時の約１／２以下に減少し、放電深度１００％の状態では、充電末状態（放電深度０％）の時の約１／５以下に減少する。したがって、予め放電末状態に調整しておけば、金属ナトリウムの量を充電末状態の少なくとも１／２以下に減らすことができる。

使用済みＮａＳ電池を放電末状態にするには、ＮａＳ電池を開路電圧が２．０７５Ｖ以下に低下するまで運転する。あるいは放電深度６０％以上まで放電する。放電量は、放電電気量Ａｈ（放電電流×放電時間）もしくは放電電力量Ｗｈ（放電電力×放電時間）の計測値で知ることができるため、一般的には、放電時間を管理すれば電池容量のどれだけを放電したかを知ることができることから、放電量を測定することで放電深度を求めることができる。

図２に、放電末状態にした使用済みＮａＳ電池の断面概略図を示す。放電末状態では、活物質の殆どが固体電解質管２と外周容器１の間の正極部分に多硫化ナトリウム６として存在し、固体電解質管２の内側に存在する金属ナトリウム５は、図３の充電末状態と比べて、大幅に減少する。また、正極部分は多硫化ナトリウムからなり、硫黄は存在しない。

本発明においては、放電末状態にした使用済みＮａＳ電池を、電池の高さ方向１／２以上の任意の高さで、横方向に切断する。図３には、放電末状態に調整した後、その胴体部分を切断した使用済みＮａＳ電池の断面の概略を示す。この場合、ＮａＳ電池には、電池の外周容器１と固体電解質（β−アルミナ）管２の間に、多硫化ナトリウムが存在しない空間８が存在するので、この空間部分８で切断すると、より切断作業が容易である。切断した使用済みＮａＳ電池は、電池内部が開放された状態となっているため、高炉または焼却炉などに投入して溶解もしくは焼却処理する際に、負極活物質の金属Ｎａや正極活物質の多硫化ナトリウムが外気中の酸素と接しやすくなることで、電池の燃焼効率を上げることができる。

本発明においては、放電末状態にした使用済みＮａＳ電池を、その負極蓋３の中央もしくは電極棒４の周辺に穴をあけ、電池の高さ方向１／２より深くならないように制御しながら負極蓋より穴あけすることも有効である。図４には、放電末状態に調整した後、その負極蓋より電極棒４の周辺に穴をあけ、切り取った負極蓋を電極棒４とともに取り出すことで、電池上部に開口を設けた使用済みＮａＳ電池の断面の概略を示す。使用済みＮａＳ電池を放電末状態にしておけば、負極活物質である金属ナトリウムの量は、充電状態の１／２以下に減少しているので、穴あけする際に電池の高さ方向（すなわち、電池の全長）の１／２より深くならないように制御しながら作業を行えば、どの箇所で穴あけしても、金属ナトリウムに接触することなく安全に作業を実施することができる。負極蓋に穴（孔）を開ける際には、先端が電池の全長の１／２より深い部分まで届かない構造の孔あけ器を用いることなどで、金属ナトリウムに接触することなく安全に作業することができる。

負極蓋に穴あけした使用済みＮａＳ電池は、そのまま高炉または焼却炉などに投入して溶解もしくは焼却処理してもよいが、さらに、外周容器に孔や切込みを設け固体電解質（β−アルミナ）管２の内部を開放してから高炉または焼却炉に投入することが好ましく、これにより、正極の多硫化ナトリウムが外気中の酸素と接触しやすくなることで、電池の燃焼効率を上げることができる。この場合、空間８部分に孔あるいは切り込みを設ければ、作業時に活物質（金属ナトリウムおよび多硫化ナトリウム）と接触する恐れがないので、作業性もよく安全である。焼却炉などに投入した際に正極側の蒸気圧が高まって、炉内で電池が破裂して炉壁を傷める恐れもない。

本発明の処理方法により処理した使用済みのＮａＳ電池を廃棄処理する場合は、従来公知の方法で行えばよい。放電末状態に調整することにより金属ナトリウムの量が減少するため、金属ナトリウムが硫黄や多硫化ナトリウムと反応することで電池内部から発生する反応熱を焼却処理に活用することはできないが、電池を切断することにより、固体電解質管２の内部および外周容器との間の正極部分が開放された状態となるため、外部から加えた熱を効果的に供給することができ、処理速度を落とすことなく燃焼処理を行うことができる。また、放電末状態に調整した使用済みＮａＳ電池の負極蓋３に穴をあけてから、高炉または焼却炉に投入した場合も、負極蓋に穴をあけ、さらに外周容器に孔や切り込みを設けることにより、同様の焼却効果を得ることができる。

本発明の処理方法により処理した使用済みのＮａＳ電池の正極には多硫化ナトリウムが存在するが、これを回収した後に廃棄処理してもよく、回収することなく解体した電池部材をそのまま、高炉または焼却炉などに投入して廃棄処理してもよい。

以上のように、使用済みＮａＳ電池を廃棄処理するに当たり、使用済みＮａＳ電池を予め放電末状態にすることで、負極に残存する金属ナトリウムの量を充電末状態の少なくとも１／２以下に減らすことができるので、切断や穴あけ作業を安全に行うことができる。さらに、切断や穴あけ後の使用済みＮａＳ電池は、高炉または焼却炉に投入するなどして廃棄処理することができるが、その際にも効率的に燃焼処理を行うことができ、また、残存する金属ナトリウムの量が少ないため炉壁の損傷を大幅に軽減することもできる

使用済みＮａＳ電池を放電末状態に調整した後、電池の全長の１／２より上の部分で切断もしくは穴あけするという簡便な操作で、使用済みＮａＳ電池を効率的に前処理することが可能となるため、今後廃棄処理量の増大が想定される使用済みＮａＳ電池の処理方法として、極めて有効な方法である。

１ 外周容器
２ 固体電解質（β−アルミナ）管
３ 負極蓋
４ 電極棒
５ 金属ナトリウム
６ 多硫化ナトリウム
７ 多硫化ナトリウム＋硫黄
８ 空間

Claims (4)

1. 使用済みのナトリウム−硫黄電池を放電末状態にし、負極に残存する金属ナトリウムを減少させるとともに、正極を硫黄が存在しない多硫化ナトリウムＮａ_２Ｓ_ｘ（ｘ＝３〜５）からなる一相領域にした後、電池の高さ方向１／２以上で切断することを特徴とする使用済みナトリウム−硫黄電池の処理方法。
2. 使用済みのナトリウム−硫黄電池を放電末状態にし、負極に残存する金属ナトリウムを減少させるとともに、正極を硫黄が存在しない多硫化ナトリウムＮａ_２Ｓ_ｘ（ｘ＝３〜５）からなる一相領域にした後、電池の高さ方向１／２より深くならないように制御しながら負極蓋より穴あけすることを特徴とする使用済みナトリウム−硫黄電池の処理方法。
3. さらに、外周容器に孔もしくは切込みを設ける請求項２に記載の使用済みナトリウム−硫黄電池の処理方法。
4. 外周容器と固体電解質管の間の多硫化ナトリウムが存在しない空間部分に孔または切り込みを設ける請求項３に記載の使用済みナトリウム−硫黄電池の処理方法。
   

Images