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次なる発展の波:リチウムイオン電池のリサイクル技術

Adam Sanford
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次なる発展の波:リチウムイオン電池のリサイクル技術

リチウムイオン電池のリサイクルblogのヒーロー

ちょうど10年前、ネイチャー誌に掲載された論文で、「リチウムは新しい金なのか?」という問いが提起されました。これは、リチウムイオン電池(LIB)での金属の使用と、埋蔵量と需要に関する不確実性に基づくものでした。今日、リチウムイオンバッテリーのリサイクルから生じる金属分に富む材料である「ブラックマス」が、リチウムイオン市場の新たな「金」になる可能性が出てきました。リチウムイオン電池の世界市場規模は410億米ドルで、2030年には1,160億米ドルを超えると予想されています。

2040年には、全世界で販売される自動車の58%が電気自動車になると予想されており、その際に発生するユニバーサル廃棄物の総量は800万トンにのぼる可能性があります。こうした状況にもかかわらず、世界でリサイクルされているリチウムイオン電池はわずか5%程度であり、環境と地球上の鉱物資源に憂慮すべき影響を与えているのです。

ホワイトペーパーで述べたように、これは、リチウムイオン電池のリサイクルが様々な要因によって制限されているためです。その要因には、電池材料の金銭的価値の変動、電池の設計と材料(および関連するリサイクル人件費)やリサイクル工場内での技術的収束の欠如などがあります。また、リサイクルの利点(材料の安全性、安全性、環境上の利点を含む)が収益化されていないこと、世界の多くの地域でリサイクル規制がないことも一因となっています。

リチウムイオン電池のリサイクルという挑戦に、我々は準備できているのか

リチウムイオンバッテリーのリサイクルの課題は、成長への大きなチャンスとともにあります。例えば、2019年に世界の生産からリサイクルできると推定される50万トンのバッテリーから、以下の原材料を回収することができると考えられています:アルミニウム1万5,000トン、リン3万5,000トン、銅4万5,000トン、コバルト6万トン、リチウム7万5,000トン、鉄9万トン。これらは材料確保と経済的・環境的に大きな利益をもたらすでしょう。

リチウムイオン電池のリサイクルへの関心が急速に高まっていることは、ホワイトペーパーでも述べた通りですが、それは「ブラックマス」の人気の高さからも明らかでしょう。CASコンテンツのコレクションは、リチウムイオン電池のリサイクルに関する過去の学術誌や特許文献のユニークな見解を可能にし、二次電池の新たなトレンド、単一使用材料の再利用、将来のビジネスチャンスの予測を明確にしました。

今日、どのようなリチウムイオン電池のリサイクル方法が使用されていますか?

ほとんどの場合、リチウムイオン電池の処理には湿式冶金と乾式冶金の組み合わせが用いられますが、直接リサイクルを行う方法が普及しつつあります(後述)。湿式冶金は、溶液(主に水溶液)を使用して、電池資源から金属を抽出・分離するものです。乾式冶金は、電池材料に使用される金属酸化物を金属または金属化合物に変換するために熱を使用します。直接リサイクルは、再使用または再調整のために正極材料を除去することです。

LIBリサイクルに使用される3つの方法
図1. LIBリサイクルの3種類の方法の概要


リチウムのリサイクル分野で増加している研究トレンド

世界の科学出版物の発行部数は過去10年間で着実に増加している一方、リチウムのリサイクルを題材にした出版物の年間増加率(32%)は、科学出版物全体の増加率(年間4%)をはるかに上回っており、関心が台頭してきていることが窺えます。

この結果と符合するように、LIBリサイクルの3つの方法すべてを含む出版物が過去10年間で全体的に増加しているほか、近年では大幅に増加しています(図2)。特に、中国がジャーナルと特許の両方で圧倒的多数を占めています(出版物の約90%、図3)。

リサイクル方法別の出版物の発行部数、2010〜2021年
図2. リサイクル方法別の出版物の発行部数、2010〜2021年


国/地域別のリチウムイオン電池リサイクルの出版物、2010〜2021年
図3. 2010〜2021年における国/地域別のリチウムイオン電池リサイクルの出版物。


具体的に用いられるプロセスに関しては、湿式製錬が2015年以降乾式製錬を大幅に上回っており、また同様の動きとしてダイレクトリサイクルも最近大幅に増加しています(図2)。また、これまで研究が少なかった部分に対する研究への取り組みも多く見られます(図4)。例えばLIBコンポーネント(これは包括的なリサイクル管理の視点の現れの可能性を示唆しています)、そしてLIBの分解などについてです。これは、リサイクル可能な材料の量を最大化するため、望ましいとされています。

非陰極材料の回収とリサイクル工程の最適化を研究している出版物
図4. 非陰極材料の回収とリサイクル工程の最適化を研究している出版物


世界の電池リサイクル能力Edit Translation

現在のLIBリサイクル能力は東アジアに集中しており、中国が世界のリサイクル能力の半分以上を占めています。残りはほぼヨーロッパです(図5)。予定されているLIBリサイクル施設は、リサイクル能力を約25%増加させ、計画が決定した新しいリサイクス能力のほとんどが北米に集中します。現在リサイクル能力がある場所は、LIBリサイクル規制の影響と一致している一方、将来のリサイクル施設の場所は、経済的要因と沿った形になっています。

設置済みおよび計画中の世界のリチウムイオン電池リサイクル施設、2021年11月現在
図5. 設置済みおよび計画中の世界のリチウムイオン電池リサイクル施設、2021年11月現在

世界のリチウムイオン電池のリサイクル規制

全体として、リチウムイオン電池のリサイクル規制は増加傾向にあり、多くの国がリサイクル方法の研究に資金を提供しています。さまざまな国でリチウムイオン電池のリサイクル法が制定されている中、中国と欧州連合はLIBリサイクルに関する包括的な規制フレームワークを有するか、または制定中です。リチウムイオン電池リサイクルの管理への関心の高まりと相まって、世界のリチウムイオン電池の使用が増え続けているため(電気自動車、携帯電話など)、これらの調査結果は将来に向けて有望です。

リチウムイオン電池リサイクルの研究トレンドの概要については、CAS Insights Reportをお読みください。世界的な規制と経済的利益を評価し、LIBリサイクルの現在および将来の世界的な状況についての洞察を提供します。

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