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、これらのテクノロジーは私たちの日常生活の一部ですが、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。電子機器の中央演算処理装置（CPU）やグラフィックス処理装置（GPU）はシリコンで作られており、これらのチップが計算を担っています。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、大量のデータを一時的または長期的に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、不可欠な金属として知られるものから作られています。
不可欠な金属 がそのように見なされる理由は2つあります。現代産業における重要な役割と、その存在量および地理的分布の偏りです。これらの要因により、重要な天然資源を欠く地域や国では、これらの金属は非常に求められているにもかかわらず、入手が困難になっています。保護主義の高まりや貿易障壁が、需給の不均衡を悪化させています。こうした不均衡が続く限り、価格の変動も続くと予想されます。
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これらの要因は、世界がなぜ不可欠な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のかを示しています。現在の方法は、有毒な化学物質や過酷な反応条件で行われることが一般的であり、これらの工程は環境に優しくなく、溶媒を大量に使用するため非効率的です。さらに、分離技術が不十分なため、精製プロセスでかなりの量の不可欠な金属が失われています。
幸いなことに、こうした問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、より優れた手法が近い将来、市場のニーズと環境上の要請を満たすようになるかもしれません。
不可欠な金属とは何か？
周期表（図1参照）を見ると、不可欠な金属には、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ブロック金属が含まれます。また、白金族金属（PGM）である白金、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）の一部も含まれます。
米国地質調査所（USGS）は、より広範なセットである 不可欠な鉱物 を監視しており、これにはアルミニウム、銅、鉄、ニッケルといった元素が含まれますが、これらは相対的に豊富であり、精製プロセスも確立されているため、本分析では考慮していません。
重要な金属は非常に価値が高いだけでなく、その分布も偏っています。さらに、優れた物性を持つことから、性能の低い金属に取って代わる存在となっています。例えば、ネオジムのような一部の重要な金属は、鉄よりもはるかに強力な永久磁石としての特性を備えています。このため、スマートフォンやコンピューター、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なメモリーデバイスに最適であり、デジタル時代に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な金属の量に注目することは有益です。USGS（米国地質調査所）は 提供しています これらの天然資源に関する世界的な網羅的情報を、定期的なレポートや更新を通じて提供しています。表1は、国または地域別の埋蔵量（単位：メトリックトン、MT）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）と希土類元素（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0.9千トン、中国で3.1千トン、米国で3.8千トン、ロシアで5.8千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5700万トン、REEは中国で4400万トン、米国で180万トンとなっています。
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重要な金属の用途
重要な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、その電荷密度とカソードの安定性により、長寿命なサイクル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他の元素は見つかっていません。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市販されていますが、環境への懸念があり、電荷保持能力や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も性能を維持できる磁性材料が必要であり、スマートフォンのカメラには手ぶれ補正のための超精密な磁気アクチュエーターが求められ、EVモーターには負荷がかかっても強度を維持できる磁石が不可欠です。ネオジムは世界で 最も強力な 市販の永久磁石用金属の一つです。ジスプロシウムは 維持します 高温下での磁気強度を維持します。また、テルビウムは 強化するために使用できます 他のコンポーネントの磁気特性。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に代わる比較的低コストな代替ソリューションとなります。これらが関与する一般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。
- 触媒作用： 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削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ための白金、窒素酸化物を還元するためのロジウム、未燃焼の炭化水素を変換できるパラジウムが含まれています。
重要な金属の抽出、分離、精製の改善
重要な金属を使用する業界は、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、デバイスがライフサイクルの終わりに達すると、通常は埋め立て地に廃棄されます。最近の取り組みでは、デバイスをリサイクルしてそれらの重要な金属を抽出し、新しいデバイスで再利用することに焦点が当てられています。これには ある程度の成功を収めており 優先すべき事項ではありますが、採掘、分離、精製など、ライフサイクルの初期段階において重要な金属の抽出率を向上させる他の方法もあります。
現在、他の元素から重要な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、環境リスクが伴います。例えば、 高いエネルギー消費（通常は化石燃料の燃焼によって達成される）や、 生成 される有毒な化学物質などです。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。
バッテリー金属：リチウムおよびコバルト
リチウムやコバルトといったバッテリー用の重要な金属の分離・精製技術には、一般的に かん水蒸発 や濃縮、選択的沈殿、電気分解や酸化還元化学が含まれます。最近、研究者たちは 報告されました ナトリウム、マグネシウム、亜鉛を含む一連の金属塩の中から、塩化リチウムを選択的に結合させる新しい試薬を高効率で開発しました。沈殿法は低コストで拡張性の高い手法であり、これまでに以下の用途で成功を収めています。 分離 炭酸塩を単純に添加することでコバルトをニッケルから分離します。これにより、生成されたコバルト錯体が沈殿し、ニッケルは溶媒中に残ります。
白金族金属（PGM）
白金族元素および希土類元素向けの新技術には、分別結晶法、溶媒抽出カスケード、イオンクロマトグラフィー、選択的沈殿法などがあります。例えば、ある白金錯体は、 分離 パラジウムやロジウムを含む他の白金族金属から、ククルビット[6]ウリルと呼ばれる有機添加剤を用いて分離されました。これは白金種に選択的に結合し、溶液から沈殿させるものです。
特殊金属：金およびテルル
金鉱石の精製は毒性を伴うプロセスであり、依然として課題となっています。このため、研究者らは以下の手法を見出しました。 金アニオンを剥離する 比較的低コストの有機配位剤である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します。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、以下の2つの理由から非常に扱いが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あるため、沈殿させるための化学的活性化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 発見しました特定のカテコール誘導体を二酸化テルル（TeO2）に添加することで、酸化還元条件下で酸素を追い出し、テルル錯体を形成して生成物を精製することに成功しました。
私たちは以下を調査しました。 CAS Content CollectionTMTM、科学情報の最大級の人間によるキュレーションリポジトリを活用し、分離・精製技術がどのように進化しているかをより深く理解しました。過去25年間、これらのプロセスに関連するジャーナルおよび特許の出版数は、力強い上昇傾向にあ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ジャーナル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、より最近ではEVなどのバッテリー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、重要金属に関する出版物でトップとなり、2022年にはコバルトを追い抜きました。PGM（白金族金属）の中では、プラチナとパラジウムが特許で最も多く報告されている金属であり、次いで銀と金、そしてロジウムとルテニウムが続きます。ジャーナル論文では、セリウム、ネオジム、ランタンなどのREE（希土類元素）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差異もあり、ジャーナルと特許の両方が含まれます。図5は、重要金属と国別の合計文書数をヒートマップで示したもので、バッテリーや太陽光発電、触媒、電子機器といった典型的な用途ごとにグループ化されています。中国は、リチウム、コバルト、金、銀、プラチナ、パラジウム、ランタン、セリウム、ネオジムなど、多くの重要金属の出版数でトップの国です。日本はコバルト、プラチナ、パラジウムにおいて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少なく、中国と日本が最多であることは注目に値します。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つの観察結果が得られます。(1) 中国は重要金属（CM）資源が最も豊富であり、出版文書数も最多である。(2) 韓国と日本はCM資源を持たないにもかかわらず、出版文書数で上位2位および3位の国・地域に入っている。これは、資源が比較的乏しい中で技術的成長を目指す、世界中の同様の立場にある国々にとってのインスピレーションとなります。
主要な特許権者についてより詳細に理解するため、上位4つの国と地域を選定し、CM元素ごとに特許の譲受人を分析しました（図6を参照）。
中南大学は、特許全体およびコバルト関連特許において主要な特許出願人であり、広東邦普循環科技（Guangdong Brunp Recycling Technology Co.）がリチウム関連特許を最も多く保有しています。日本では、住友金属鉱山株式会社が最大の特許保有者であり、JX金属株式会社がそれに続きます。両社とも、選択された多くの重要金属において広範に特許を出願しています。韓国では、パラジウムが最も特許出願の多い重要金属であり、特に韓国エネルギー技術研究院（Korea Institute of Energy Research）による出願が目立ちます。これらの分析は、アジアにおける重要金属の集中と、同地域を中心とした研究の取り組みを浮き彫りにしています。
重要金属、重要な未来
重要金属市場は世界経済において実質的かつ成長を続けるセクターであり、金属の種類によって市場評価額に大きな差があります。リチウム市場は 予測 では今年111億米ドルに達する見込みです。一方、コバルト市場は、電気自動車や電子機器向けのバッテリー需要の増加に牽引され、継続的な成長を示しました。現在の市場価値は 170億米ドル です。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227億米ドルに成長すると予測されています。REE（希土類元素）市場の評価額は情報源によって異なり、2025年の推定値は約40億米ドルから 80億米ドル超 の範囲に及んでおり、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、コンピューター、電気自動車、再生可能エネルギーシステムを動かす限り、現代経済にとっ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が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、企業は強固な調達戦略と包括的な サプライチェーンのマッピング を策定し、この不確実な状況を乗り切る必要があります。
より持続可能な抽出・分離技術への軌道は、こうした課題の解決を助ける可能性があり、継続的な研究投資によって、環境負荷を低減しつつ効率を向上させるブレイクスルーがもたらされるでしょう。科学論文や特許の増加は、従来の処理方法を一変させる可能性のある有望なイノベーションを示唆しています。
より環境に配慮した持続可能な方法で重要金属を抽出することで、現代生活に欠かせない電子機器を動かすために、これらの極めて重要な元素をより多く利用できるようになります。幸いなことに、より新しく優れた手法への見通しは明るく、それは今日、そして明日のテクノロジーのエンジンにとって前向きな未来を意味しています。
