新技術による重要金属供給の拡大

スマートフォン、ノートパソコン、Bluetoothスピーカー、電気自動車（EV）など、これらの技術は私たちの日常生活の一部となっていますが、それらを機能させている金属元素について考えることはほとんどありません。電子機器のCPU（中央演算処理装置）やGPU（画像処理装置）はシリコンで作られており、これらのチップが計算処理を担っています。しかし、ハードディスクドライブやフラッシュメモリなど、同様に重要な回路コンポーネントも存在します。これらがなければ、ブラウジングや負荷の高いタスクを実行する際に、大量の一時的または長期的なデータを保存しておくことはできません。これらのコンポーネントの原材料は、いわゆる「重要金属」から作られています。

重要金属がそのように定義される理由は、現代産業における極めて重要な役割と、その埋蔵量および地理的分布の偏りという2点にあります。これらの要因により、重要金属は非常に需要が高い一方で、主要な天然鉱床を持たない地域や国では入手が困難になっています。保護主義の台頭や貿易障壁が、需給の不均衡をさらに悪化させています。こうした不均衡が続く限り、価格の変動も今後続くと予想されます。

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これらの要因は、世界が重要金属を抽出するための、より効率的で効果的なプロセスを必要としている理由を示しています。現在の手法は、有毒な化学物質や過酷な反応条件を伴うことが一般的であり、環境に優しくないだけでなく、大量の溶媒を使用するため非効率的です。さらに、分離技術が未熟であるために、精製過程でかなりの量の重要金属が失われています。

幸いなことに、現在、これらの課題に対処するための重要な科学的研究が進められており、より優れた手法によって、近い将来、市場のニーズと環境への要請が満たされる可能性があります。

重要金属とは何か？

周期表（図1参照）を見ると、重要金属にはリチウムのようなアルカリ土類金属、コバルトのような第1遷移金属、テルルのようなpブロック元素が含まれます。また、白金族金属（PGM：白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム）を含む第2および第3遷移金属も含まれます。さらに、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウムといったランタノイドや希土類金属（REM）、別名レアアース元素（REE）も重要金属に含まれます。

米国地質調査所（USGS）は、重要鉱物と呼ばれるより広範なグループを監視しており、これにはアルミニウム、銅、鉄、ニッケルなどの元素が含まれますが、本分析では、それらの相対的な埋蔵量と確立された精製プロセスを考慮し、対象外としています。

重要金属は非常に価値が高く、分布が偏っているだけでなく、その優れた物理的特性により、従来の性能の低い金属に取って代わってきました。例えば、ネオジムのような一部の重要金属は、鉄よりもはるかに強力な永久磁石特性を持っており、スマートフォン、コンピュータ、クラウドコンピューティングのデータサーバーにおける高性能メモリデバイスに最適です。そのため、デジタル時代において不可欠なコンポーネントとなっています。

対象となる元素について、各国や各地域が保有する重要金属の量に注目することは有益です。USGSは、定期的な報告書や更新を通じて、これらの天然資源の世界的な状況を提供しています。表1は、国または地域別の埋蔵量（単位：メートルトン）に関するUSGSデータのヒートマップです。なお、USGSは白金族金属（PGM）とランタノイド（REE）をそれぞれ一つのグループとして報告していますが、リチウム、コバルト、テルルは個別に分類されています。予想通り、テルルの埋蔵量は非常に少なく、カナダでわずか900トン、中国で3,100トン、米国で3,800トン、ロシアで5,800トンと報告されています。これに対し、リチウムはオーストラリアで5,700万トン、レアアース（REE）は中国で4,400万トン、米国で180万トンとなっています。

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重要金属の用途

重要金属は数多くの技術やデバイスに使用されていますが、具体的にはどのように組み込まれているのでしょうか。主な用途は3つあります。

• バッテリー／エネルギー貯蔵：リチウムとコバルトは、その高い電荷密度とカソードの安定性により、長寿命を実現するバッテリーに使用されています。これらと同等の性能を提供する元素は他に発見されていません。例えば、低コストで広く普及している鉛蓄電池や亜鉛系電池は長年商業的に利用されてきましたが、環境への懸念や、電荷保持能力およびバッテリー寿命の面で劣っています。
• ‍磁石：データセンターでは高温下での性能維持に磁性材料が不可欠であり、スマートフォンカメラには手ブレ補正のための超精密な磁気アクチュエータが、電気自動車（EV）のモーターには負荷がかかっても磁力を保持できる磁石が求められています。ネオジムは、商業的に入手可能な世界で最も強力な永久磁石金属の一つです。ジスプロシウムは高温下で磁力を維持する特性があり、テルビウムは他の部品の磁気特性を向上させるために使用されます。プラセオジムのような重要な金属は、場合によってはネオジムの比較的低コストな代替ソリューションとなります。これらが関与する代表的なメモリコンポーネントには、高密度データストレージ用のハードディスクドライブ、不揮発性メモリ用の磁気RAM、スピーカーやヘッドフォン用の小型磁石などがあります。
• ‍触媒：触媒に使用される重要な金属のうち、ルテニウムはアンモニア製造に、イリジウムはグリーン水素製造（水電解）に不可欠です。自動車の排気ガスから有害なガスを低減するために広く使用されている触媒コンバーターには、一酸化炭素を変換する白金、窒素酸化物を還元するロジウム、未燃焼炭化水素を変換できるパラジウムが含まれています。

重要金属の抽出、分離、精製の改善

重要金属を使用する産業は、その希少性ゆえにすでに大きな課題に直面しています。さらに、デバイスが寿命を迎えると、通常は埋め立て地に廃棄されます。近年の取り組みでは、デバイスをリサイクルして重要金属を抽出し、新しいデバイスに再利用することに焦点が当てられています。これはある程度成功を収めており、優先的に取り組むべき課題ですが、採掘、分離、精製といったライフサイクルの初期段階において重要金属の抽出率を向上させる方法は他にも存在します。

現在、他の元素から重要金属を抽出する一般的なプロセスには、湿式製錬と乾式製錬の2つがあり、それぞれが特定のプロセスの総称となっています。湿式製錬には、酸浸出、アルカリ浸出、溶媒抽出、イオン交換プロセスが含まれます。乾式製錬には、高温での製錬や焙焼、揮発性不純物を除去するための焼成、炭素や水素を用いた還元プロセスが含まれます。

これらの各手法には、通常化石燃料の燃焼によって生じる高いエネルギー消費や、有毒化学物質の発生といった環境リスクが伴います。しかし、新しいグリーンテクノロジーがこれらの課題を克服する可能性があります。

電池金属：リチウムとコバルト

リチウムやコバルトといった電池用重要金属の分離・精製技術には、かん水蒸発や濃縮、選択的沈殿、電解や酸化還元化学が含まれる傾向があります。最近、研究者らは、ナトリウム、マグネシウム、亜鉛を含む多様な金属塩の中から、塩化リチウムを高効率で選択的に結合させる新しい試薬を報告しました。沈殿法は低コストで拡張性の高い手法であり、炭酸塩を単純に加えることでコバルトをニッケルから分離することに成功しました。これにより、コバルト錯体が沈殿し、ニッケルは溶液中に残ります。

白金族金属（PGM）

白金族元素および希土類元素向けの新しい技術には、分別結晶化、溶媒抽出カスケード、イオンクロマトグラフィー、選択的沈殿などがあります。例えば、白金錯体は、ククルビット[6]ウリルと呼ばれる有機添加剤を用いて、パラジウムやロジウムを含む他のPGMから分離されました。この添加剤は白金種に選択的に結合し、溶液から沈殿させます。

特殊金属：金とテルル

金鉱石の精製は有毒なプロセスであり、依然として課題となっています。そのため、研究者らは、比較的低コストの有機配位子であるα-シクロデキストリンを使用して、活性炭から金アニオンを剥離する方法を見出しました。活性炭は金産業で一般的に使用される基材です。

テルルは、2つの理由から取り扱いが非常に難しい重要金属として知られています。1つは存在量が極めて少なく、単独で採掘されることは稀で、ニッケル採掘の廃棄物から分離されること。もう1つは、酸化物として残留する性質が強く、沈殿のために化学的に活性化させることが困難な複数の酸化状態を持つことです。しかし、研究者らは、TeO2に特定のカテコール誘導体を加えることで、酸化還元条件下で酸素を追い出し、テルル錯体を形成させて製品を精製することに成功しました。

私たちは、科学情報の最大規模の人間によるキュレーションリポジトリであるCAS Content Collection^TMを調査し、分離・精製技術がどのように進化しているかを把握しました。その結果、過去25年間でこれらのプロセスに関連する学術論文や特許の出版数が大幅に増加していることがわかりました（図3を参照）。

また、特定の重要金属に関する学術論文および特許の数も調査しました（図4を参照）。全体的な成長は、携帯電話や、近年ではEVといった電池駆動デバイスの増加傾向を反映しています。リチウムは2018年以降、出版された重要金属の中でトップとなり、2022年にはコバルトを追い抜きました。PGMの中では、白金とパラジウムが特許で最も多く報告されており、次いで銀と金、ロジウムとルテニウムが続きます。学術論文では、セリウム、ネオジム、ランタンといった希土類元素（REE）が、パラジウムに次いで多く出版されています。

この分析から、これらの元素に関する研究活動が活発であることがわかります。また、図3に見られる特許出版数の増加は、改良された分離・精製技術が商業化段階に達していることを示しています。

出版傾向には地理的な違いもあり、学術論文と特許の両方に反映されています。図5は、重要金属と国別の総文書数を示すヒートマップであり、電池・太陽光発電、触媒、電子機器といった一般的な用途別に分類されています。中国は、リチウム、コバルト、金、銀、白金、パラジウム、ランタン、セリウム、ネオジムなど、多くの重要金属において出版数でトップとなっています。日本はコバルト、白金、パラジウムで中国に次ぐ位置にあります。テルルとイリジウムの出版数は全体的に少ないものの、中国と日本が最多である点は注目に値します。一方、オスミウムはすべての元素および国・地域の中で最も出版数が少なくなっています。

図5と表1を比較すると、2つの点が明らかになります。（1）中国は重要金属（CM）資源が最も豊富であり、かつ論文発表数も最多であること。（2）韓国と日本はCM資源を保有していないにもかかわらず、論文発表数で上位3位以内に入っていること。これは、資源が乏しい中で技術的成長を目指す世界各国の参考となる事例です。

主要な特許権者についてより詳細に把握するため、上位4つの国と地域を選定し、重要金属元素別の特許譲受人を分析しました（図6参照）。

中南大学は、特許全体およびコバルト関連特許において最多の発表数を誇り、広東邦普循環科技（Guangdong Brunp Recycling Technology）はリチウム関連特許で首位となっています。日本では住友金属鉱山が最大の特許権者であり、JX金属がこれに続きます。両社とも、選定された多くの重要金属において広範な発表を行っています。韓国ではパラジウム関連の特許が最も多く、特に韓国エネルギー技術研究院（KIER）によるものが顕著です。これらの分析は、重要金属に関する研究がアジアに集中している現状を浮き彫りにしています。

重要金属が切り拓く未来

重要金属市場は世界経済において大きく成長している分野であり、金属の種類によって市場価値に大きな差があります。リチウム市場は今年、111億米ドルに達すると予測されており、コバルト市場は電気自動車や電子機器のバッテリー需要の増加を背景に成長を続けています。現在の市場規模は170億米ドルに達しています。PGM（白金族金属）市場は2024年に216億米ドルと評価され、2025年には227億米ドルへの成長が見込まれています。REE（希土類元素）市場の評価額は情報源により異なりますが、2025年には約40億米ドルから80億米ドル超に達すると推定されており、市場の複雑さと急速な進化を反映しています。

これらの金属は、スマートフォン、コンピュータ、電気自動車、再生可能エネルギーシステムを支える限り、現代経済において不可欠な存在であり続けます。地政学的な緊張や貿易政策は価格変動や需給の不均衡を悪化させる可能性があるため、企業はこの不確実な状況を乗り切るために、強固な調達戦略と包括的なサプライチェーンの可視化を構築しなければなりません。

より持続可能な抽出・分離技術への転換は、こうした課題の解決に寄与するでしょう。継続的な研究投資により、環境負荷を低減しつつ効率を向上させる画期的な技術が生まれることが期待されます。科学論文や特許の増加は、従来の処理方法を根本から変えるような革新的な技術の登場を示唆しています。

環境負荷を抑えつつ重要金属の抽出量を増やすことで、現代生活に欠かせない電子機器を動かすための資源をより多く確保できるようになります。幸いなことに、より優れた新しい手法の開発に向けた見通しは明るく、これは現代および未来の技術基盤にとって前向きな兆しと言えます。