リチウムイオンバッテリーは至る所に存在します。ノートパソコンや携帯電話の電源として、また 使用 されており、バッテリーエネルギー貯蔵システムにおいて最も一般的な バッテリー技術 として電気自動車（EV）に搭載されています。そのため、リチウムの需要は今後も増加し続けるでしょう。2025年第1四半期、米国のEV販売台数は 11.4%増加し、IEA（国際エネルギー機関）は 推定 しています。2022年から2023年の間だけでも、リチウムのバッテリー需要は30%増加しました。
EVやバッテリーエネルギー貯蔵は温室効果ガス排出削減の重要な要素であるため、この成長は心強いものです。しかし、リチウムの需要が高まるにつれ、供給の問題はより深刻化するでしょう。陸上資源からの世界のリチウム埋蔵量は 推定 約2200万トンであり、高濃度のリチウムは、特に南米諸国や中国の高品位な塩水湖、およびオーストラリアの硬岩鉱山など、限られた地理的場所にしか存在しません。
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需要の増加に伴い供給が問題になるだけでなく、これらの資源からリチウムを抽出するプロセス自体も 課題を抱えています。かん水からのリチウム抽出には、太陽蒸発法や化学沈殿法が用いられますが、これらは時間のかかるプロセスであり、地域の生態系や水源に影響を及ぼす可能性があります。硬岩採掘もまた環境への影響があり、多量の化学物質と水を消費します。
こうした課題に対処するため、研究者たちはリチウムを抽出する新たな方法を模索しており、最終的には海水からこの元素を取り出すことを目指しています。海には約 2000億トン のリチウムが存在しており、ほぼ無尽蔵の供給源と言えますが、その濃度は180ppmと極めて低く、ナトリウムなどの他のイオンが大量に混在しています。
海に存在するこれらのリチウム資源にアクセスするために、抽出技術をどのように向上させればよいのでしょうか。海水淡水化で使用される技術を転用・改良することで、かん水からのリチウム抽出を改善でき、将来的にはそれを海水にまで拡大できる可能性があります。
直接リチウム抽出が切り拓く新たな可能性
直接リチウム抽出（DLE）は、石油・ガス田のかん水、地熱かん水、塩湖などからリチウムイオンを効率的に回収することを目的としています。このプロセスを実行するための手法はいくつか存在し、そのほとんどが 既存の 海水淡水化や廃水処理技術を応用したものです。私たちは、人間がキュレーションした科学情報としては世界最大級のコレクションである CAS Content CollectionTMを分析し、これらの技術がどのように変化しているかを調査しました。その結果、DLEに関連する出版物が近年急速に増加していることがわかりました（図1参照）。過去2年間で急激な伸びを見せており、2025年の最初の2ヶ月間だけで、出版物数は2024年通年の3分の1に達しています。
全出版物の半数が特許であるという事実は、これらの技術に対する商業的な関心の高さを物語っています。リチウム電池の需要拡大を考えれば、これは当然の結果と言えるでしょう。DLEにはまた、数多くの 利点 既存の抽出方法と比較して、水や化学物質の消費量が少なく、環境への影響が最小限であり、回収率が高く、抽出が迅速で、コストを低減できる可能性があります。
しかし、各かん水にはリチウム、その他の元素やイオン、全溶解固形分の含有量が異なるため、一つの方法が 効果的 であるとは限りません。DLEに関する文献が増加する中で、それぞれ独自の利点と欠点を持つ複数の技術が研究されています。
直接リチウム抽出の種類
かん水や海水への利用が期待されるDLEには、5つのタイプがあります。
- 吸着法： アルミニウム系材料 を用いた吸着は、現在唯一商用化されているDLE技術です。CAS コンテンツコレクションの文献でDLE関連の概念を分析したところ、「吸着」および「吸着剤」が最も多く報告されている概念の一つでした（図2参照）。これは、この手法がいかに広く研究されているかを示しています。このプロセスは、吸着剤がリチウムを選択的に結合し、その後、別の溶液を使用してリチウムを脱着させる仕組みです。炭素、ゼオライト、 金属有機構造体、層状複水酸化物などが、このプロセスで使用される材料の例です。吸着法の利点は、高いリチウム取り込み能力と低いエネルギー消費の可能性にあります。しかし、研究者が 指摘しているように、技術成熟度（TRL）を最高レベルに到達させるには、100 mg/Lを超える最小リチウム含有量、約50℃のかん水温度、および十分な塩分濃度が必要です。
- イオン交換法： このプロセスでは、 交換 吸着剤内部で、異なるイオンが同じ電荷を帯びたリチウムイオンと入れ替わる現象です。吸着と同様に、このプロセスは高いリチウム取り込み能力を有しています。しかし、インターカレーション材料には酸性溶液が使用されるため、酸によって材料が不安定になったり、劣化したりする可能性があります。インターカレーション材料には、マンガンやチタンなどが含まれます。
- 溶媒抽出： この手法は、 分離 有機相と水相間におけるリチウムの分配係数の差に基づいたリチウムの分離に依存しています。溶媒抽出は複雑なかん水に対して有効ですが、灯油やメチルイソブチルケトンを使用するため、火災のリスクが高まります。また、この技術では添加剤や溶媒の使用に伴う環境への懸念もあります。
- 膜分離： 半透膜を使用して、かん水中のリチウムイオンやその他の塩類を選択的にろ過することができます。これらの膜には、 ポリアミド、 NASICON系 材料、または 逆浸透 膜が用いられます。この プロセス は比較的単純で環境に優しく、高いエネルギー消費を必要としません。しかし、高濃度のかん水には前処理が必要となるため、あらゆる用途において効率的とは言えません。
- 電気化学： このプロセスはまだ応用研究の段階ですが、有望な結果を示しています。 これには 抽出用電極としてリチウムインターカレーション材料を使用することが含まれており、リチウムイオン電池の浸出液に適用することで、本来廃棄されるはずの材料を再利用できます。研究者は、その高いリチウム選択性、短い反応時間、および低いエネルギー消費量に注目しています。ある 研究 では、リチウムマンガン酸化物と活性炭電極が劣化することなく再利用可能であることが示されました。リチウムニッケルマンガン酸化物（LNMO）やリン酸鉄リチウム（LFP）も、電極材料として有望です。このプロセスは商用化の準備が整うまでにはまだ改良が必要ですが、スタンフォード大学が主導した 研究 では、カリフォルニア州ハーフムーンベイの海水でこのプロセスを使用し、良好な結果が得られました。
さらに、DLEに関連する国際特許分類（IPC）コードを評価することで、研究環境を分析しました。特許の大部分は、IPCセクションの「化学；冶金」および「作業の実行」に分類されます。本分析における主要なDLE手法は、私たちの概念分析と一致しており、吸着が主要な手法であり、次いで膜ベースの技術が続きます（図3を参照）。
海水からのリチウム抽出における課題
海水から大規模かつ効率的にリチウムを抽出するには、これらの手法を既存の塩水で精錬し、低濃度の海水源から大量のリチウムを抽出できるレベルまで改善する必要があります。いくつかの ハードルがあります このプロセスには、太陽蒸発法のような手法と比較して現在の抽出コストが高いという課題が含まれています。さらに、これらの技術が経済的に実現可能であるためには、リチウム価格が安定している必要があります。
スケーラビリティもまた課題の一つです。これらの抽出法は大規模な運用が可能でなければならないだけでなく、理想を言えば、利用可能なあらゆる水資源にアクセスできるよう、複数の種類の塩水に対応できることが望まれます。こうした改善が進めば、DLE技術を海水にまで拡大し、将来的なリチウム不足を回避できる可能性があります。
これらは大きな課題ですが、自動車やパーソナルデバイスにおいてリチウム電池がさらに普及するにつれ、ブレイクスルーを見出そうとする機運が、より多くの研究と優れた技術を促進するでしょう。
