JP7109702B1 - 電池廃棄物の処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一の実施形態に係る電池廃棄物の処理方法は、窒素、二酸化炭素及び水蒸気からなる群から選択される少なくとも一種を含む雰囲気下で電池廃棄物を加熱する第一熱処理工程と、第一熱処理工程の後、第一熱処理工程での前記雰囲気から切り替えて、当該雰囲気と異なるとともに第一熱処理工程よりも多い量の酸素を含む雰囲気下で、前記電池廃棄物を加熱する第二熱処理工程とを含むものである。
電池廃棄物としては、車載用もしくは民生用等の電池の廃棄物を対象とすることができる。電池廃棄物は、たとえば、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車、電気自動車等の車両に搭載された車載用電池パックの廃棄物、より具体的には、車両の廃車や電池交換もしくは製造不良またはその他の理由によって廃棄された車載用電池モジュール廃棄物又は車載用電池パック廃棄物とすることがある。このような車載用電池パック等の廃棄物を対象とすることにより、資源の有効活用を図ることができる。但し、電子機器もしくは装置等に用いられた電池の廃棄物を対象としてもよい。
車載用電池パックは、それを搭載する車両のスペース上の制約等に応じて様々な形状のものが存在するが、たとえば、平面視でほぼ長方形をなす直方体状等の、一方向に長い縦長の外形を有するものがある。
上述したような車載用電池パック廃棄物等の電池廃棄物は、周囲が金属製等のケースにより保護された堅固な構造を有することから、これを解体することは容易ではない。また解体した場合、残留電圧による感電の危険性がある。
そのため、第一熱処理工程では、電池廃棄物を解体せずに、バッテリー等がケースにより取り囲まれた構造を維持した状態で、これに加熱処理を施す。それにより、解体作業に要する時間を削減することができる。また、たとえば所定の液体に浸漬すること等による電池廃棄物の放電を行わなくても、この熱処理では感電のおそれがない。
なお、加熱時の酸素分圧を1×10-2atm以下としたときは、電池廃棄物中のアルミニウムの脆化を抑制することができ、5×10-3atm以下であればより好ましい。熱処理時にアルミニウムが脆化すると、後述する篩別の際にアルミニウムの分離性が悪化することが懸念される。
第二熱処理工程では、第一熱処理工程での熱処理炉内の上述した雰囲気から切り替えて、第一熱処理工程での雰囲気とは異なる雰囲気であって、第一熱処理工程よりも多い量の酸素を含む雰囲気下で、電池廃棄物を加熱する。これは、電池廃棄物を、第一熱処理工程の窒素等の雰囲気で加熱した後に、第二熱処理工程として酸素を含む雰囲気で加熱した場合、酸浸出工程での発泡現象を抑制できるという新たな知見に基づくものである。
最も好ましくは、450℃~600℃である。この範囲は、結着剤の分解により有価金属の回収率や発泡抑制効果が十分見込め、なおかつアルミニウムの脆化や酸化ニッケル・コバルトの生成も抑制できる範囲である。また、この温度範囲であれば、第一熱処理工程と同じ温度で第二処理工程も行うことが操業上好適である。
第一熱処理工程で電池廃棄物を加熱した後、冷却した当該電池廃棄物を第二熱処理工程で上記の最高到達温度に到達させてもよい。第一熱処理工程が500℃以上の場合には、第一熱処理工程の加熱で電解液やバインダー等の有機物質が分解しており爆発的な燃焼によって温度制御が困難になることは起こりにくいため、第二熱処理工程の昇温速度は特に特定する必要はない。しかし、例えば第一熱処理工程の温度が300~400℃のように低い場合は、第一熱処理工程と同じように200℃/hr以下で昇温することで樹脂分解ガスの急激な発生を防止できる。最高到達温度は、2時間~6時間にわたって保持されることが好適である。その後は、自然冷却、あるいは水冷もしくは水冷ジャケット又は空冷等の強制冷却により、電池廃棄物を冷却する。
上述した第二熱処理工程の後、必要に応じて、破砕工程、解砕・粉化工程および、その後の篩別工程を行うことができる。
破砕は、たとえば、電池廃棄物としての車載用電池モジュール廃棄物、又は車載用電池パック廃棄物等のケースからバッテリーを取り出し、そのバッテリーの筐体を破壊するとともに、正極活物質が塗布されたアルミニウム箔から正極活物質を選択的に分離させるために行う。ここでは、種々の公知の装置ないし機器を用いることができるが、その具体例としては、ケース及びバッテリーを切断しながら衝撃を加えて破砕することのできる衝撃式の粉砕機、たとえば、サンプルミル、ハンマーミル、ピンミル、ウィングミル、トルネードミル、ハンマークラッシャ等を挙げることができる。なお、粉砕機の出口にはスクリーンを設置することができ、それにより、バッテリーは、スクリーンを通過できる程度の大きさにまで粉砕されると粉砕機よりスクリーンを通じて排出される。
上述した熱処理工程、必要に応じて破砕工程、解砕・粉化工程、篩別工程を経て得られた電池粉末は、リチウム浸出工程で弱酸性溶液、水又はアルカリ性溶液のいずれかと接触させ、電池粉末に含まれるリチウムを溶液に溶解させる。水もしくは溶液の好ましいpHは、2<pH<13、より好ましくは3<pH<12である。
リチウム溶解液のリチウム濃度は、1.0g/L~3.0g/Lであることが好ましく、特に1.5g/L~2.5g/Lであることがより一層好ましい。なお、リチウム溶解液には、ナトリウムが0mg/L~1000mg/L、アルミニウムが0mg/L~500mg/Lで含まれることがある。
上述したリチウム浸出工程で水もしくは溶液に溶けずに残った残渣は、フィルタープレスやシックナー等を用いた固液分離により取り出した後に、酸浸出工程で酸に浸出させることができる。酸浸出工程での酸浸出及び固液分離により得られる浸出後液に対して、たとえば中和、溶媒抽出その他の処理を施すことにより、コバルト、ニッケル等の各種金属を回収することができる。
実施例では、第一熱処理工程、第二熱処理工程、破砕工程、解砕・粉化工程及び篩別工程を順に行って、電池粉末を得た。第一熱処理工程では、窒素雰囲気の下、600℃の最高到達温度で加熱し、その温度を4時間にわたって保持した。その後、同じ熱処理炉で、その最高到達温度を維持しつつ炉内の雰囲気を大気に切り替えて、当該最高到達温度を4時間にわたって保持し、第二熱処理工程を行った。
電池廃棄物に対し、窒素雰囲気にて580℃~600℃で8hrにわたって熱処理を施すと、それに得られた電池粉末中の炭素率は40質量%程度であった。一方、電池廃棄物に対し、窒素雰囲気にて580℃~600℃で4hrにわたって熱処理(第一熱処理工程)を施した後、大気雰囲気にて580℃~600℃で4hrにわたって熱処理(第二熱処理工程)を施した場合、それにより得られた電池粉末中の炭素率は15質量%程度であった。なお、炭素率とは、熱処理・破砕・篩別で得られた電池粉末に含まれるトータルカーボンの割合である。それらの各電池粉末に対する酸浸出工程では、炭素率が少なかった電池粉末のほうが、発泡が抑制された。このことから、残留した炭化物等が酸浸出時の発泡に影響していると推測される。
Claims (12)
- 電池廃棄物を処理する方法であって、
窒素、二酸化炭素及び水蒸気からなる群から選択される少なくとも一種を含む雰囲気下で電池廃棄物を加熱する第一熱処理工程と、
第一熱処理工程の後、第一熱処理工程での前記雰囲気から切り替えて、当該雰囲気と異なるとともに第一熱処理工程よりも多い量の酸素を含む雰囲気下で、前記電池廃棄物を加熱する第二熱処理工程と
を含む、電池廃棄物の処理方法。 - 第一熱処理工程及び第二熱処理工程を、同じ熱処理炉で連続して行う、請求項1に記載の電池廃棄物の処理方法。
- 第二熱処理工程での加熱時間を、第一熱処理工程での最高到達温度に保持する時間と第二熱処理工程での最高到達温度に保持する時間の合計の10%~90%とする、請求項1又は2に記載の電池廃棄物の処理方法。
- 第二熱処理工程が酸素を1.0体積%以上含む雰囲気である、請求項1~3のいずれか一項に記載の電池廃棄物の処理方法。
- 第二熱処理工程での前記雰囲気を、大気雰囲気とする、請求項1~4のいずれか一項に記載の電池廃棄物の処理方法。
- 第一熱処理工程での前記雰囲気が酸素を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の電池廃棄物の処理方法。
- 第一熱処理工程で、前記雰囲気の酸素分圧を5×10-4atm~4×10-2atmの範囲内に維持する、請求項6に記載の電池廃棄物の処理方法。
- 第一熱処理工程で前記電池廃棄物を加熱するに際し、熱処理炉内に、酸素と、窒素、二酸化炭素及び水蒸気からなる群から選択される少なくとも一種とを含む雰囲気ガスを流す、請求項6又は7に記載の電池廃棄物の処理方法。
- 第一熱処理工程で、加熱時の前記電池廃棄物の最高到達温度を400℃~800℃とする、請求項1~8のいずれか一項に記載の電池廃棄物の処理方法。
- 第二熱処理工程で、加熱時の前記電池廃棄物の最高到達温度を400℃~800℃とする、請求項1~9のいずれか一項に記載の電池廃棄物の処理方法。
- 前記電池廃棄物が、外装をなすケース及び、前記ケースにより周囲が取り囲まれた車載用電池モジュールを備える車載用電池パック廃棄物、又は、車載用電池モジュール廃棄物である、請求項1~10のいずれか一項に記載の電池廃棄物の処理方法。
- 前記電池廃棄物がリチウムイオン二次電池を含む、請求項1~11のいずれか一項に記載の電池廃棄物の処理方法。
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