JP2024052467A - ニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーのリサイクル - Google Patents
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Abstract
【課題】ニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーのリサイクルを提供する。【解決手段】ニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーのリサイクルは、NiMHバッテリーの攪拌から得られる粒状カソード材料に浸出剤を加えて、浸出溶液を形成することに基づいて、実質的に純粋なニッケルを抽出する。浸出溶液のpHが維持されて、鉄、アルミニウム及びランタニド希土類元素(REE)を沈殿させてニッケル溶液を生じさせ、多くの場合に高いニッケル含有量を有する、リサイクルされるバッテリー中のカソード材料前駆体を形成する。【選択図】図1
Description
背景
電気エネルギー蓄積は、ポータブルエレクトロニクス、電気自動車(EV)及びポータブル電源(例えば、工具及び装置)用途の需要増加によって推進される、継続的に改善されている技術分野である。リチウムイオンバッテリーは、短期~中期の高い放電用途の主流に発展している。リチウムイオンバッテリーは、様々なバッテリー化学、典型的には導電性粉末及びバインダーと組み合わせた金属を使用する。バッテリー電荷材料において使用される金属は、多くの場合、かなりのコストで処理されるため、様々なバッテリー化学が技術的進歩、使用需要及び資源の有用性に基づいて発展している。ニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーは、特定の二次(再充電可能)バッテリー用途についてかつて人気があった過渡的な技術の代表例である。ニッケルマンガンコバルト(NMC)及び同様のバッテリー化学用途など、より最近のバッテリー化学は、大部分の用途についてNiMHバッテリーを上回っている。
電気エネルギー蓄積は、ポータブルエレクトロニクス、電気自動車(EV)及びポータブル電源(例えば、工具及び装置)用途の需要増加によって推進される、継続的に改善されている技術分野である。リチウムイオンバッテリーは、短期~中期の高い放電用途の主流に発展している。リチウムイオンバッテリーは、様々なバッテリー化学、典型的には導電性粉末及びバインダーと組み合わせた金属を使用する。バッテリー電荷材料において使用される金属は、多くの場合、かなりのコストで処理されるため、様々なバッテリー化学が技術的進歩、使用需要及び資源の有用性に基づいて発展している。ニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーは、特定の二次(再充電可能)バッテリー用途についてかつて人気があった過渡的な技術の代表例である。ニッケルマンガンコバルト(NMC)及び同様のバッテリー化学用途など、より最近のバッテリー化学は、大部分の用途についてNiMHバッテリーを上回っている。
概要
本明細書における構成は、NiMHバッテリーの攪拌から得られる粒状カソード及びアノード材料に浸出剤を加えて、浸出溶液を形成することを含む、ニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーをリサイクルして実質的に純粋なニッケルを抽出することから得られる有利な改良を実証する。浸出溶液のpHが維持されて、鉄、アルミニウム及びランタニド希土類元素(REE)を沈殿させてニッケル溶液を生じさせ、多くの場合に高いニッケル含有量を有する、リサイクルされるバッテリーのカソード材料前駆体を形成する。
本明細書における構成は、NiMHバッテリーの攪拌から得られる粒状カソード及びアノード材料に浸出剤を加えて、浸出溶液を形成することを含む、ニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーをリサイクルして実質的に純粋なニッケルを抽出することから得られる有利な改良を実証する。浸出溶液のpHが維持されて、鉄、アルミニウム及びランタニド希土類元素(REE)を沈殿させてニッケル溶液を生じさせ、多くの場合に高いニッケル含有量を有する、リサイクルされるバッテリーのカソード材料前駆体を形成する。
本明細書における構成は、部分的には、特にEV市場における再充電可能バッテリーの増加している用途が、典型的にはほぼ10年の寿命である大容積のバッテリーを導入するという観察に基づいている。残念ながら、バッテリー使用の従来の手法は、より古い使用されなくなった電荷材料を有するバッテリーの動向として顕在化しつつある。NiMHバッテリーなど、これらのより古いバッテリーは、最近のバッテリーにおいてもはや望ましくない他の金属と混ぜ合わされた多量のニッケルを含む。したがって、本明細書における構成は、La、Ce、Pr及びNdなどのランタニドREEなど、必要とされない余計な及び/又は汚染金属を除去しながら、より新しいバッテリーと共に使用するのに適したニッケル電荷材料前駆体を製造するリサイクル手法を提供することにより、失効しつつあるバッテリー化学の欠点を実質的に克服する。結果は、NMC及び他のリサイクルされるバッテリーのための様々なバッテリー化学(モル比)の調合物中に直接導入することができるニッケルに富んだ溶液である。
更なる詳細において、ニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーをリサイクルする方法は、NiMHバッテリーを含むリサイクルストリームを受け入れるか又は製造することと、バッテリーを撹拌(粉砕、圧潰等)して、混ぜ合わされた形態の粒状カソード及びアノード材料を生成することとを含む。NiMHバッテリーの攪拌から得られる粒状カソード及びアノード材料に浸出剤を加えて、浸出溶液を形成する。浸出溶液のpHの調節は、浸出溶液のpHを様々なレベルに維持して、鉄、アルミニウム及びランタニド希土類元素を沈殿させ、ニッケル溶液を生じさせてカソード材料前駆体を形成する。得られたリサイクルされるカソード材料前駆体は、硫酸ニッケル溶液の形態をとり、それは、例えば、1.1M~1.7MのNi濃度を有することができる。
図面の簡単な説明
前述及び他の特徴は、添付図面で説明されるような本明細書に開示される特定の実施形態の以下の説明から明らかであり、図面では、同じ参照符号は、異なる図全体にわたって同じ部分を指す。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、むしろ本発明の原理の説明に重点が置かれている。
前述及び他の特徴は、添付図面で説明されるような本明細書に開示される特定の実施形態の以下の説明から明らかであり、図面では、同じ参照符号は、異なる図全体にわたって同じ部分を指す。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、むしろ本発明の原理の説明に重点が置かれている。
詳細な説明
NiMHバッテリーなどのバッテリーをリサイクルして、非常に求められているニッケルを、汚染物質及びランタニド元素など、使用されなくなった電荷材料金属から単離するための例示的な方法及び装置が以下で説明される。リサイクルされるバッテリーは、もはや使用できない消耗した又は使用済みバッテリーと称されることもある、使用済みストリームから得られる。多くの場合、これは、バッテリー内の電荷材料が、十分な電荷を保持する能力を失っているか、又は自動車事故、製造誤差若しくは他の機能不能のために使用不可能になったより新しい材料を有するバッテリーであり得ることを意味する。
NiMHバッテリーなどのバッテリーをリサイクルして、非常に求められているニッケルを、汚染物質及びランタニド元素など、使用されなくなった電荷材料金属から単離するための例示的な方法及び装置が以下で説明される。リサイクルされるバッテリーは、もはや使用できない消耗した又は使用済みバッテリーと称されることもある、使用済みストリームから得られる。多くの場合、これは、バッテリー内の電荷材料が、十分な電荷を保持する能力を失っているか、又は自動車事故、製造誤差若しくは他の機能不能のために使用不可能になったより新しい材料を有するバッテリーであり得ることを意味する。
電話、ラップトップ機、電動工具及び電気自動車のような用途において使用されているニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーは、一層普及している。使用済みNiMHバッテリーは、リサイクルされるバッテリー(すなわちリサイクルされる材料から作製されるバッテリー)の様々な化学物質に対して、カソード活物質の調製のための原料金属の供給源として依然として役立ち得る。NiMHバッテリー中に存在する主な元素は、概して、17.9重量%のニッケル、4.4重量%のコバルトの他、ランタン、セリウム、プラセオジム及びネオジムなど、17.3重量%のREEである。NiMHバッテリー中の金属は、使用済みバッテリーが特別な処理なしに単に廃棄される場合、潜在的な環境上の危険を示し、ニッケルは、人間に対して毒性であり得、発癌性の金属であると考えられている。したがって、使用済みNiMHバッテリーのリサイクルは、環境保護及び天然資源の保護の両方について有益である。
リサイクルストリームは、通常、バッテリーケーシング全体、集電装置、カソード及びアノード材料の他、バッテリーの個々のセルを相互接続することができる任意の他の電気コネクタ及び回路の物理的圧潰、粉砕及び/又は細断によって最初に分解されなければならない高価な原材料を含む。したがって、リサイクルストリームは、プラスチック及び他の格納などの物理的ケーシングの他に、混ぜ合わされたカソード材料、アノード材料及び集電装置のやや不特定の組成物を有する。様々な物理的分離が行われ得、多くの場合、リサイクルストリームからのカソード及びアノード材料の両方を包含する電極材料の粒状混合物又は「ブラックマス」をもたらす。ニッケル及びランタニド元素(La、Ce、Pr、Ndなど)及び様々な他の金属を含むカソード及びアノード材料は、以下で開示される手法によって扱われる。
以下で更に考察される特定の構成は、NiMHバッテリーのための経済的及び環境上有利であるリサイクル方法を提供する。説明的な記述は、以下の通りである。特定の例において、ブラックマスは、硫酸溶液(2~5モル濃度)中で浸出され、過酸化水素を溶液に添加することにより、目的の金属イオンの更なる浸出を促進し、溶液のpHを5~6に上げることにより、溶液中に溶解したアルミニウム及び鉄などの不純物を沈殿させる。濾過による固液分離後、ランタニド希土類元素(La、Ce、Pr及びNd)は、硫酸及び水酸化ナトリウムを添加することにより、pH=0~3で不溶性ナトリウムREE硫酸複塩を形成することによって除去される。目標は、塩の沈殿のための溶液のpHにおいて、Na/REEのモル比が約15~25であり、及びSO4/REEのモル比が約35~60であるようにNa+を調節することである。REEを除去した後、不純物が除去された溶液は、過剰な硫酸ナトリウムの濃縮及び選択的な結晶化によって更に調整される。硫酸ナトリウムが選択的に結晶化される間、REEも更に除去される。溶液は、カソード活物質の前駆体を合成するか、又は多くの用途のために硫酸ニッケル生成物を単離するための所望のニッケル濃度に達する。分離されたREEをREEリサイクルストリームに供給して、高価な希土類元素を回収することができる。
図1は、本明細書における構成による、NiMHバッテリーをリサイクルするためのプロセスフロー100である。一般的なプロセスは、NiMHバッテリーの攪拌(物理的粉砕、圧潰及び/又は細断)から得られる粒状カソード及びアノード材料と組み合わせて浸出剤を使用して、浸出溶液を形成してニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーをリサイクルする。過酸化水素あり又はなしの硫酸は、REEの除去のための好ましい浸出剤であるが、他の浸出剤を使用することができる。浸出溶液のpHを調節及び維持して、鉄、アルミニウム及びランタニドREEを沈殿させてニッケル溶液を生じさせて、カソード材料前駆体を形成する。
より詳細には、工程102において、NiMHバッテリーを含むリサイクルストリームを受け入れ、工程104に図示されるように、放電して残留電荷からのアーク放電又は燃焼リスクを除く。Liイオンバッテリーは、高い放電能力のために有利であることが想起され、そのため、「デッド」バッテリーでも著しい電気エネルギーを保持することができる。工程106に開示されるように、分解又は細断プロセスにより、バッテリーを撹拌して粒状カソード及びアノード材料を生成し、顆粒状粒子の分離及びサイジングを行なうことができる。結果は、NiMHバッテリーの攪拌から得られる粒状カソード及びアノード材料を含むリサイクルストリームからのブラックマスである。
工程108において、過酸化水素あり又はなしの硫酸を含む浸出剤が添加される。例えば、浸出のための硫酸濃度は、1M~5M、好ましくは2~3Mであり、過酸化水素(約30~34%の濃度)は、ブラックマスの重量に対して0.2~0.6の体積比、好ましくは0.3~0.4の比になる。好ましくは、浸出溶液のpHは、約5~6にされるが、過酸化水素は、比較的少量である。工程110に図示されるように、浸出溶液のpHを5~6に維持しながら、浸出溶液を約5時間又は一晩撹拌し、鉄及びアルミニウムを含む不純物を浸出溶液から沈殿させる。pHが5未満である場合、pHを5.5に調節してAl及びFe不純物を除去し、Niの損失を最小にする。
工程112に示されるように、沈殿したAl及びFeを濾過し、工程114においてフィルター「ケーキ」をもたらすことができ、それは、工程116において、廃液流になるか又は付加的な浸出をもたらすことができる。浸出溶液を濾過して、沈殿した固体を除去した後、工程118に図示されるように、硫酸塩対REE比=35~60になるように93%~98%の濃度を使用する硫酸の計算量を添加し、次いでpHが1~3に達するまで25%~50%の濃度の水酸化ナトリウムを添加して、浸出溶液中に残っているREEを沈殿させる。H2SO4のみを使用する代わりに、工程120及び136に示されるように、硫酸ナトリウムを使用してSO4/REE=35~60の比を合わせることができ、必要とされる量の硫酸及び/又は水酸化ナトリウムを添加してpHを維持し、ナトリウムREE硫酸複塩を沈殿させる。ランタニド希土類元素(La、Ce、Pr及びNdなど)が工程122において沈殿し、工程126において、pH0~3、好ましくはpH=2でランタニド-アルカリ硫酸複塩として濾過(工程124)によって除去される。希土類は、概して、高価な商品であると考えられるため、工程128に図示されるように、REEは、代わりのリサイクルストリームに入ることができる。
例として、REEの除去は、ランタニド-アルカリ硫酸複塩によるREEの除去のために、15~25のアルカリ対REEのモル比及び35~60の硫酸塩対REEの比を形成することを含む。不溶性ナトリウムREE硫酸複塩(Na(REE)(SO4)2)を形成してREEを除去するために、硫酸塩を浸出溶液中のREEのモル数に対して35~60のモル比で添加する。比を合わせるために、計算量の濃硫酸を、Al及びFeが除去される浸出液に添加し、次いで溶液のpHを1~2にして、ランタニド-アルカリ硫酸複塩を沈殿させる。硫酸の使用は、ランタニドの硫酸塩の形成を促進することが更に指摘されなければならない。
工程130に図示されるように、REEが除去された得られた浸出溶液を≧1.2M Niに濃縮する。工程136に示されるように、濃縮中、過剰なアルカリ硫酸塩は、Ni濃度に応じた選択的な結晶化によって除去される。硫酸ナトリウム138が生じ、工程132に示されるように、抽出された水を再利用することができる。結晶化された過剰な硫酸ナトリウム138が工程134で濾過されると、工程140において、ニッケルイオン濃度は、Liイオンバッテリーでの合成に適した1.1M~1.7Mであるべきである。
特定の例は、以下のように説明に役立つことができる。NiMHバッテリーのブラックマス250gを1500mLの2M硫酸溶液中で浸出するため、ブラックマスをゆっくりと室温の溶液に添加し、次いで98mLの34重量%H2O2を溶液に滴下する。次いで、溶液を一晩撹拌する。溶液混合物を濾過して、不溶解及び不純物の沈殿固体を浸出液から分離する。暗緑色の浸出液(pH=5.7)が得られる。溶液のpHは、アルミニウム及び鉄不純物を除去するための許容範囲内であるため、Al及びFeを除去するための更なるpH調節は、行われなかった。次いで、REEを除去するために、175mLの95~97%硫酸を溶液に添加し、200mLの50%NaOH溶液を添加することによって溶液のpHを2に上げる。溶液のpHを上げる間、ナトリウムREE硫酸複塩が白色結晶質粉末として沈殿する。この白色沈殿物は、濾過によって分離除去される。溶液の純度は、以下の図2に示されるICP-OES(誘導結合プラズマ発光分光分析装置)によって分析される。溶液を濃縮して、Na2SO4の選択的な結晶化及び濾過によって溶液中の過剰な硫酸ナトリウムを除去し、ニッケルイオン濃度を1.1M~1.7Mの範囲にする。
図2は、中間溶液(再循環)工程を含む得られた材料の分析チャートである。図1~2を参照すると、チャート200は、工程110からの浸出210、工程112及び124後の不純物の除去220並びに工程140の最終硫酸ニッケル溶液230の段階の浸出溶液を図示する。
硫酸ニッケル溶液を使用して、新しいバッテリーにおけるリサイクルされるカソード材料の前駆体を形成することができる。カソード材料は、Liイオンセルのいわゆる「バッテリー化学」を画定する、予め決められた比の例えばリチウム、ニッケル、マンガン、コバルト、アルミニウム、鉄及びリンなどの金属を含む。好ましいバッテリー化学は、供給業者と用途との間で変化し、Liイオンバッテリーのリサイクルの成果は、典型的には、リサイクルされる電荷材料生成物のバッテリー化学物質の所定のモル比に従う。産業の動向は、よりニッケルに富んだ化学に向かって進んでおり、多くの場合、5:3:2(532)、6:2:2(622)及び8:1:1(811)などのN:M:Cのモル比のニッケル、マンガン及びコバルト(NMC)が好ましい。
比の調節により、上記で考察した811、622若しくは532のバッテリー化学又は他のモル比の組合せに対応するリサイクルされたカソード前駆体を生成するように、ニッケル、マンガン、コバルト及びアルミニウムの硫酸塩などのカソード材料の溶液形態を組み合わせることができる。本明細書に開示されたリサイクルされる硫酸ニッケルは、カソード材料の他の硫酸塩の形態と組み合わされて、予め決められたバッテリー化学のカソード前駆体を形成することができる。前駆体は、典型的には、リチウムと焼結してカソード活物質を生成し、集電装置への付着により、新しいリサイクルされるバッテリーの電極を形成する粉末形態である。より古い低ニッケル含有量のリサイクルストリームからの硫酸塩の形態と組み合わされるとき、開示された硫酸ニッケルは、新しいリサイクルされるバッテリーの622及び811などのより高いニッケル比を補完する。
本明細書において規定される装置及び方法は、その実施形態を参照して特に示され、説明されたが、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲から逸脱することなく、それに対する形態及び詳細における様々な変更形態がなされ得ることが当業者によって理解されるであろう。
100 プロセスフロー
102 工程
104 工程
106 工程
108 工程
110 工程
112 工程
114 工程
116 工程
118 工程
120 工程
122 工程
124 工程
126 工程
128 工程
130 工程
132 工程
134 工程
136 工程
138 硫酸ナトリウム
140 工程
200 チャート
210 浸出
220 除去
230 最終硫酸ニッケル溶液
102 工程
104 工程
106 工程
108 工程
110 工程
112 工程
114 工程
116 工程
118 工程
120 工程
122 工程
124 工程
126 工程
128 工程
130 工程
132 工程
134 工程
136 工程
138 硫酸ナトリウム
140 工程
200 チャート
210 浸出
220 除去
230 最終硫酸ニッケル溶液
Claims (14)
- ニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーをリサイクルする方法であって、
浸出剤と、前記NiMHバッテリーの攪拌から得られる粒状カソード材料とを組み合わせて、浸出溶液を形成することと、
前記浸出溶液のpHを調節又は維持して、鉄、アルミニウム及びランタニド希土類元素(REE)を含む不純物を沈殿させてニッケル溶液を生じさせることと
を含む方法。 - 前記浸出剤は、硫酸を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記浸出剤は、過酸化水素を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記浸出溶液の前記pHは、Fe及びAlを除去するために5~6に調節される、請求項1に記載の方法。
- 前記浸出溶液の前記pHは、前記REEを除去するために0~3に調節される、請求項1に記載の方法。
- 前記浸出溶液を少なくとも5時間にわたって撹拌して、ニッケル及びコバルトを前記浸出溶液中に溶解することと、
前記ニッケル及びコバルトの溶解後、前記浸出溶液の前記pHを5~6に調節又は維持して、Fe及びAlを沈殿させることと、
前記Fe及びAlを含む沈殿した不純物を濾過して、前記浸出溶液中の前記溶解したニッケル及びコバルトを回収することと
を更に含む、請求項1に記載の方法。 - 前記沈殿した不純物を濾過した後、
前記pHを0~3に低下させて、前記ランタニド元素を沈殿させることと、
ナトリウム硫酸複塩として前記ランタニド希土類元素を濾過することと
を更に含む、請求項6に記載の方法。 - 前記沈殿した不純物を濾過した後、
硫酸及び水酸化ナトリウムの少なくとも1つを加えて、ナトリウムイオンを前記ランタニド希土類元素に対して15~25のモル比に、及びSO4を前記ランタニド希土類元素に対して35~60のモル比に調節することと、
過剰な硫酸ナトリウムを除去することと
を更に含む、請求項6に記載の方法。 - 前記粒状カソード材料は、ブラックマス中のケーシング、集電装置及びアノード材料と混ぜ合わされる、請求項1に記載の方法。
- 前記生じたニッケル溶液は、1.1M~1.7Mの範囲のニッケルイオン濃度を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記ランタニド希土類元素は、La、Ce、Pr及びNdを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記NiMHバッテリーを含むリサイクルストリームを受け入れることと、
前記バッテリーを撹拌して、前記粒状カソード材料を生成することと
を更に含む、請求項1に記載の方法。 - カソード材料前駆体を前記ニッケル溶液から形成することを更に含む、請求項1に記載の方法。
- ニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーをリサイクルする方法であって、
前記NiMHバッテリーの攪拌から得られる粒状カソード材料を含むリサイクルストリーム中のブラックマスを受け入れることと、
2~5M濃度の硫酸を前記ブラックマスに加えて、浸出溶液を形成することと、
ブラックマスの重量に対して0.2~0.6の体積比の量で過酸化水素を前記浸出溶液に加えることと、
前記浸出溶液のpHを5~6に維持しながら、前記浸出溶液を少なくとも5時間にわたって撹拌して、鉄及びアルミニウムを含む不純物を前記浸出溶液から沈殿させることと、
前記浸出溶液を濾過して、前記不純物の沈殿固体を除去することと、
93%~98%の濃度の硫酸と、25%~50%の濃度の水酸化ナトリウムとを加えて前記浸出溶液の前記pHを1~3に調節して、前記浸出溶液中に残っているREE(希土類元素)を沈殿させることと、
前記REEの硫酸複塩を結晶質粉末として沈殿させることと、
前記REEを前記浸出溶液から濾過することと、
過剰な硫酸ナトリウムを結晶化して、前記浸出溶液中の1.1M~1.7Mのニッケルイオン濃度を達成することと
を含む方法。
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