JP6964618B2

JP6964618B2 - リチウムイオン電池スクラップの処理方法

Info

Publication number: JP6964618B2
Application number: JP2019069379A
Authority: JP
Inventors: 淳一荒川; 康文芳賀
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: WO2020203585A1; EP3950978A1; JP2020164971A; TW202042437A; EP3950978A4; EP4223896A3; EP4223896A2; TWI727720B

Description

この明細書は、リチウムイオン電池スクラップの処理方法に関する技術を開示するものである。

近年は、製品寿命もしくは製造不良その他の理由より廃棄されたリチウムイオン電池スクラップから、そこに含まれるコバルトやニッケルの有価金属を湿式処理により回収することが、資源の有効活用の観点から広く検討されている。

たとえばリチウムイオン電池スクラップから有価金属を回収するには通常、焙焼その他の所定の工程を経て得られる電池粉等を、酸に添加して浸出し、そこに含まれ得るリチウム、ニッケル、コバルト、マンガン、鉄、銅、アルミニウム等が溶解した浸出後液とする。

そしてその後、複数段階の溶媒抽出もしくは中和等により、浸出後液に溶解している各元素のうち、鉄、銅及びアルミニウム等を順次に又は同時に除去し、ニッケル、コバルト、マンガン及びリチウム等の有価金属を溶媒抽出によって分離と濃縮を行い、各金属が溶解した溶液を得る。ニッケルやコバルトは各溶液から電気分解等によって回収する（たとえば特許文献１〜３参照）。

特開２０１０−１８０４３９号公報米国特許出願公開第２０１１／０１３５５４７号明細書特許第５７０６４５７号公報

浸出後液にアルミニウムイオンが含まれる場合、浸出後液を中和して、アルミニウムイオンの少なくとも一部を除去する中和工程と、その後、中和工程で得られる中和後液から、溶媒抽出によりアルミニウムイオンの残部を抽出して除去する抽出工程とを行うことが有効であると考えられる。

ここで、浸出後液にフッ化物イオンが含まれ、かつ、中和工程後の中和後液にアルミニウムイオンが比較的多い量で含まれていると、中和後液に溶媒抽出を施した際にフッ素とアルミニウムの化合物が析出し、これが管路等を閉塞させるという問題があることが解かった。

この明細書では、フッ化物イオン及びアルミニウムイオンを含む浸出後液からアルミニウムイオンを有効に除去することができるリチウムイオン電池スクラップの処理方法を開示する。

この明細書で開示するリチウムイオン電池スクラップの処理方法は、リチウムイオン電池スクラップを酸で浸出し、少なくともフッ化物イオン及びアルミニウムイオンを含む浸出後液を得る浸出工程と、浸出後液を、ｐＨ５．３〜５．５の範囲内に中和し、浸出後液からアルミニウムイオンの少なくとも一部を除去して中和後液を得る中和工程と、中和後液に対して溶媒抽出を行い、該中和後液からアルミニウムイオンの残部を抽出する抽出工程とを含み、前記抽出工程で、中和後液に対し、燐酸エステル系抽出剤及びオキシム系抽出剤を含有する混合抽出剤を使用して溶媒抽出するというものである。

上記のリチウムイオン電池スクラップの処理方法によれば、フッ化物イオン及びアルミニウムイオンを含む浸出後液からアルミニウムイオンを有効に除去することができる。

一の実施形態に係るリチウムイオン電池スクラップの処理方法を示すフロー図である。実施例の中和によるｐＨとＡｌ濃度との関係を示すグラフである。

以下に、この明細書で開示する実施の形態について詳細に説明する。
一の実施形態に係るリチウムイオン電池スクラップの処理方法は、図１に例示するように、リチウムイオン電池スクラップを酸で浸出し、少なくともフッ化物イオン及びアルミニウムイオンを含む浸出後液を得る浸出工程と、浸出後液を、ｐＨ５．３〜５．５の範囲内に中和し、浸出後液からアルミニウムイオンの少なくとも一部を除去して中和後液を得る中和工程と、中和後液に対して溶媒抽出を行い、該中和後液からアルミニウムイオンの残部を抽出する抽出工程とを含む。

（リチウムイオン電池スクラップ）
この実施形態で対象とすることができるリチウムイオン電池スクラップは、携帯電話その他の種々の電子機器等で使用され得るリチウムイオン電池（リチウムイオン二次電池）で、電池製品の寿命や製造不良またはその他の理由によって廃棄されたものである。このようなリチウムイオン電池スクラップから有価金属であるコバルトやニッケル等を回収することは、資源の有効活用の観点から好ましい。

リチウムイオン電池スクラップとしては、いわゆる電池滓を対象とすることができ、この電池滓にアルミニウム箔付き正極材もしくは正極活物質を混合したものでもよく、また、電池滓を、必要に応じて焙焼し、化学処理し、破砕し、および／もしくは篩別したもの等とすることができる。

電池滓には、マンガン、ニッケル及びコバルトを含有するリチウム金属塩である正極活物質の他、カーボン、鉄及び銅を含む負極材や、正極活物質が付着されるアルミニウム箔やリチウムイオン電池のアルミニウム筐体が含まれることがある。具体的には、リチウムイオン電池には、正極活物質を構成するリチウム、ニッケル、コバルト、マンガンのうちの一種の元素からなる単独金属酸化物および／または、二種以上の元素からなる複合金属酸化物、並びに、アルミニウム、銅、鉄、カーボン等が含まれ得る。
この実施形態では、たとえばアルミニウムを０．５質量％〜１５質量％で含むリチウムイオン電池スクラップを対象とすることが特に効果的である。また、リチウムイオン電池スクラップには、たとえば鉄が０．５質量％〜１０質量％で含まれることがある。

（浸出工程）
浸出工程では、たとえば破砕・篩別により篩下に得られた粉末状の上記のリチウムイオン電池スクラップを、硫酸酸性溶液等の浸出液に添加して浸出させる。それにより、リチウムイオン電池スクラップに含まれる所定の金属が浸出した浸出後液を得る。

なおここでは、リチウムイオン電池スクラップに含まれ得る銅を、浸出終了時まで、浸出率が低い状態を維持して、固体として残すことが好ましい。このことは、銅よりも卑な金属アルミニウムの固体を、リチウムイオン電池スクラップにそもそも含まれ、及び／又は浸出液に別途添加すること等によって浸出液中に存在させることにより実現することができる。固体として残った銅は、たとえば、後述の中和工程での固液分離の際に、他の金属とともに有効に除去することができる。

浸出工程では、浸出液のｐＨは、０〜２．０とすることができる。このときのｐＨが大きすぎると、コバルト及びニッケルの浸出速度が十分でない可能性があり、この一方で、ｐＨが小さすぎると、浸出が急速に進み、銅が浸出してしまい、また、後工程にてｐＨを上げる必要がある際はｐＨ調整のためコスト増となる可能性があるからである。
また浸出工程で、リチウムイオン電池スクラップを酸性溶液に添加したときから浸出終了までの浸出時間は０．５時間〜１０時間とすることが好ましい。反応時間が短すぎると、溶かしたいコバルトやニッケルが十分に溶解しない場合がある。一方、浸出時間が長すぎると、アルミニウムの固体の溶解が終了し、銅の溶解が始まるおそれがあるからである。浸出時間のより好ましい範囲は、１時間〜５時間、さらに好ましくは１時間〜３時間である。

浸出後液は、少なくともフッ化物イオン及びアルミニウムイオンを含むものとする。フッ化物イオンは、たとえば、電池バインダーや電解液等に由来して含まれることがあり、アルミニウムイオンは、上記のアルミニウム箔やアルミニウム筐体が浸出液に溶解すること等で含まれ得ると考えられる。浸出後液中のフッ化物イオン濃度は、たとえば１０ｍｇ／Ｌ〜２０００ｍｇ／Ｌ、典型的には５０ｍｇ／Ｌ〜１０００ｍｇ／Ｌである。なお、浸出後液中のアルミニウムイオン濃度は、たとえば１００ｍｇ／Ｌ〜１００００ｍｇ／Ｌ、典型的には３０００ｍｇ／Ｌ〜８０００ｍｇ／Ｌである。

（中和工程）
中和工程では、上記の浸出工程で得られた浸出後液のｐＨを上昇させて中和することにより、浸出後液中のアルミニウムイオンを析出させて沈殿させ、その後の固液分離により、かかるアルミニウムを除去して中和後液を得る。

中和工程のこの中和時には、浸出後液のｐＨを、５．３〜５．５の範囲内に上昇させることが重要である。これにより、多くのアルミニウムイオンを除去することができて、後の抽出工程で、フッ素とアルミニウムとの化合物の析出による管路の閉塞トラブルの発生を有効に防止することができる。言い換えれば、中和時に浸出後液のｐＨをこの範囲内にしなければ、中和後液にアルミニウムイオンが比較的多く残留する結果として、抽出工程で、ヘキサフルオロアルミン酸ナトリウム（Ｎａ₃ＡｌＦ₆）等の水酸化アルミニウムが多く析出し、これが管路を閉塞させる。より詳細には、ｐＨを５．３未満とした場合は、Ａｌの沈殿が不十分となり、この一方で、ｐＨを５．５よりも高くした場合は、Ｃｏのロスとなるからである。

ｐＨを上述した範囲内に上昇させるため、浸出後液に、たとえば、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等のアルカリを添加することができる。

また、中和工程の中和時には、浸出後液のＯＲＰ値（ＯＲＰｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ）を−５００ｍＶ〜１００ｍＶとすることが好ましく、さらには、−４００ｍＶ〜０ｍＶとすることがより好ましい。このときのＯＲＰ値が高すぎる場合は、コバルトが四酸化三コバルト（Ｃｏ₃Ｏ₄）として沈殿するおそれがあり、この一方で、ＯＲＰ値が低すぎると、コバルトが単体金属（Ｃｏメタル）に還元されて沈殿することが懸念される。
そしてまた、中和工程の中和時には、浸出後液の温度を、５０℃〜９０℃とすることが好適である。これはすなわち、浸出後液の温度を５０℃未満とした場合は、反応性が悪くなることが懸念され、また、９０℃より高くした場合は高熱に耐えられる装置が必要になる他、安全上も好ましくない。

中和でアルミニウムを十分に沈殿させた後は、フィルタープレスやシックナー等の公知の装置及び方法を用いて固液分離を行って、主として、沈殿したアルミニウムを除去する。
なおこの際に、浸出工程で溶かさずに固体として残した銅や、リチウムイオン電池スクラップに含まれ得るカーボンもまた分離させることができる場合がある。アルミニウムのみの沈殿物を濾過しようとすると、ゲル状のアルミニウム沈殿物は濾過することが困難であり、濾過速度の低下を招くが、この中和後の固液分離では、沈殿物に、アルミニウムのみならず銅やカーボン等が含まれることから、かかる銅やカーボン等が、ゲル状のアルミニウム沈殿物の濾過のしにくさを補って、濾過に要する時間を短縮化することができる。先述の浸出工程で得られる浸出後液がリチウムイオンを含み、浸出後液中のアルミニウムに対するリチウムのモル比（Ｌｉ／Ａｌ比）が、１．１以上であれば、中和後の沈殿物に含まれるアルミニウムが、ゲル状のＡｌ（ＯＨ）₃の他、結晶性のあるＬｉＡｌＯ₂、ＬｉＡｌ₂（ＯＨ）₇等の複合酸化物、複合水酸化物を生成し、粉末状に近い形態となる。この場合は、更なる濾過時間の短縮化を図ることができる。

ところで、浸出後液に鉄イオンが含まれる場合は、上記の中和の前に、浸出後液に酸化剤を添加し、ｐＨを３．０〜５．０の範囲内に調整して、浸出後液から鉄イオンを析出させて沈殿させ、その後の固液分離により、かかる鉄を除去することが好ましい。

このような酸化剤の添加により、浸出後液中の鉄イオンが、２価から３価へ酸化されることになり、３価の鉄は２価の鉄よりも低いｐＨで酸化物（水酸化物）として沈殿することから、浸出後液を上記のような比較的低いｐＨに調整することで、鉄を沈殿させることができる。多くの場合、鉄は、水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）₃）等の固体となって沈殿する。ここで、仮にｐＨを大きく上昇させた場合はコバルトの沈殿を招くが、この酸化時は、それほどｐＨを上昇させることなしに、鉄を沈殿させることができるので、この際のコバルトの沈殿を有効に抑制することができる。

酸化時にｐＨが低すぎると鉄を十分に沈殿させることができず、この一方で、ｐＨが高すぎると、コバルト等の他の金属も沈殿してしまう。この観点より、酸化時における第一分離後液のｐＨは、３．０〜４．０とすることがより好ましく、特に、３．０〜３．５とすることがさらに好ましい。ｐＨの調整のため、酸化剤の添加に先立って、浸出後液に、たとえば、硫酸、塩酸、硝酸等の酸を添加することができる。

また酸化時には、浸出後液の酸化還元電位（ＯＲＰｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ）、つまりＯＲＰ値を、好ましくは３００ｍＶ〜９００ｍＶ、より好ましくは５００ｍＶ〜７００ｍＶとする。このときのＯＲＰ値が低すぎる場合は、鉄が酸化されない可能性があり、この一方で、ＯＲＰ値が高すぎると、コバルトが酸化されて酸化物として沈殿するおそれがある。

酸化時に添加する酸化剤は、鉄を酸化できるものであれば特に限定されないが、二酸化マンガン、正極活物質、及び／又は、正極活物質を浸出して得られるマンガン含有浸出残渣とすることが好ましい。これらは、浸出後液中の鉄を効果的に酸化させることができる。なお、正極活物質を酸等により浸出して得られるマンガン含有浸出残渣には、二酸化マンガンが含まれ得る。
酸化剤として上記の正極活物質等を用いる場合、第一分離後液に溶解しているマンガンが二酸化マンガンとなる析出反応が生じるので、析出したマンガンを鉄とともに除去することができる。

酸化剤の添加後は、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等のアルカリを添加して、ｐＨを所定の範囲に調整することができる。

中和工程での先述した中和により、中和後液中のアルミニウムイオン濃度は、好ましくは１００ｍｇ／Ｌ以下とし、より好ましくは５０ｍｇ／Ｌ以下とする。これにより、抽出工程でのアルミニウムとフッ素との化合物の析出を有効に抑制することができる。なお、中和工程を経て得られる中和後液のフッ化物イオン濃度は、たとえば１０ｍｇ／Ｌ〜５００ｍｇ／Ｌ、典型的には１０ｍｇ／Ｌ〜１００ｍｇ／Ｌであり、またナトリウムイオン濃度は、たとえば１００００ｍｇ／Ｌ〜３００００ｍｇ／Ｌ、典型的には１５０００ｍｇ／Ｌ〜２５０００ｍｇ／Ｌである。

（抽出工程）
中和工程の後は、溶媒抽出により、中和後液からアルミニウムイオンの残部を抽出する抽出工程を行う。中和後液にマンガンイオン及び銅イオンのうちの少なくとも一方が含まれる場合は、この抽出工程で、アルミニウムイオンのみならず、マンガンイオン及び／又は銅イオンをも抽出することができる。抽出工程により、アルミニウムイオン等が除去された抽出残液が得られる。

先に述べたように、中和工程で浸出後液のｐＨを所定の範囲内として中和を行ったことにより、中和後液に含まれるアルミニウムイオンは十分に低減されている。これにより、抽出工程では、ヘキサフルオロアルミン酸ナトリウム（Ｎａ₃ＡｌＦ₆）等の水酸化アルミニウムを含む析出物があまり生成されず、それによる管路の閉塞を防止することができる。

具体的には、ここでは、第二分離後液に対して、燐酸エステル系抽出剤及びオキシム系抽出剤を含有する混合抽出剤を使用して溶媒抽出することが好ましい。特に、燐酸エステル系抽出剤及びオキシム系抽出剤を併用することにより、アルミニウムイオンや銅イオン等の分離効率が顕著に向上する。なかでも、銅イオンはほとんど抽出することができる。

ここで、燐酸エステル系抽出剤としては、たとえばジ−２−エチルヘキシルリン酸（商品名：Ｄ２ＥＨＰＡ又はＤＰ８Ｒ）等が挙げられる。オキシム系抽出剤は、アルドキシムやアルドキシムが主成分のものが好ましい。具体的には、たとえば２−ヒドロキシ−５−ノニルアセトフェノンオキシム（商品名：ＬＩＸ８４）、５−ドデシルサリシルアルドオキシム（商品名：ＬＩＸ８６０）、ＬＩＸ８４とＬＩＸ８６０の混合物（商品名：ＬＩＸ９８４）、５−ノニルサリチルアルドキシム（商品名：ＡＣＯＲＧＡＭ５６４０）等があり、そのなかでも価格面等から５−ノニルサリチルアルドキシムが好ましい。

抽出工程の溶媒抽出では、ｐＨを、好ましくは２．５〜４．０、より好ましくは２．８〜３．３とする。

（回収工程）
抽出工程で得られた抽出残液には、そこからコバルト及び／又はニッケルを回収するとともに、必要であればさらにリチウムを回収する回収工程を行うことができる。

より詳細には、はじめにコバルトの回収を行い、ここでは、上記の抽出工程の抽出残液に対して、好ましくはホスホン酸エステル系抽出剤を使用して溶媒抽出を行って、コバルトイオンを溶媒に抽出する。ホスホン酸エステル系抽出剤としては、ニッケルイオンとコバルトイオンの分離効率の観点から２−エチルヘキシルホスホン酸２−エチルヘキシル（商品名：ＰＣ−８８Ａ、Ｉｏｎｑｕｅｓｔ８０１）が好ましい。

コバルトの回収では、ｐＨを、好ましくは４．５〜５．５、より好ましくは４．８〜５．２とする。
溶媒抽出後のコバルトイオンを含有する抽出剤（有機相）に対しては、逆抽出を行うことができる。逆抽出で水相側に移動したＣｏは、電解採取によって回収する。

次いで、ニッケルの回収として、コバルトイオンの溶媒抽出で得られる抽出残液に対して、好ましくはカルボン酸系抽出剤を使用して溶媒抽出を行い、ニッケルイオンを分離する。カルボン酸系抽出剤としては、たとえばネオデカン酸、ナフテン酸等があるが、なかでもＮｉの抽出能力の理由によりネオデカン酸が好ましい。
溶媒抽出後のニッケルイオンを含有する抽出剤（有機相）に対して、逆抽出を行うことができる。水相側に移動したＮｉは、電解採取によって回収する。

その後、ニッケルの回収時の溶媒抽出で得られる抽出後液からニッケルイオンの残部およびリチウムイオンを抽出するとともに逆抽出し、当該抽出および逆抽出の操作を繰り返してリチウムイオンを濃縮する。それによりリチウム濃縮液を得る。このリチウム濃縮で用いる抽出剤としては、２−エチルヘキシルホスホン酸２−エチルヘキシルやジ−２−エチルヘキシルリン酸を含むものを用いることが好ましい。
リチウム濃縮液に対して、必要に応じて中和を行った後、炭酸化により炭酸リチウムとしてリチウムを回収することができる。

次に、上述したようなリチウムイオン電池スクラップの処理方法を試験的に実施し、その効果を確認したので、以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、それに限定されることを意図するものではない。

リチウムイオン電池スクラップから得られたフッ化物イオン及びアルミニウムイオンを含む浸出後液に対し、中和工程及びその後の抽出工程を行った。ここでは、中和時のｐＨを、図２に示すように変化させた試験を複数回にわたって実施した。

図２に示すところから解かるように、中和時のｐＨを５．０〜５．２の範囲内とした場合は、中和後液中のＡｌ濃度が比較的高くなったのに対し、中和時のｐＨを５．３〜５．５の範囲内とした場合は、中和後液中のＡｌ濃度が１００ｍｇ／Ｌ前後まで有意に低下した。

そして、中和時のｐＨを５．０〜５．２の範囲内とした期間では、約１〜２か月で管路の閉塞があり、操業を一時的に停止せざるを得なかった。これに対し、８月２５日に、ｐＨを５．３〜５．５の範囲内に変更した後は、閉塞による操業停止は発生しなかった。なお、ｐH５．５を超えると、Ｃｏのロスが大きくなるため、実操業には不適である。

よって、これによれば、浸出後液からアルミニウムイオンを除去できて、管路の閉塞を有効に防止できることが解かった。

Claims

リチウムイオン電池スクラップを酸で浸出し、少なくともフッ化物イオン及びアルミニウムイオンを含む浸出後液を得る浸出工程と、
浸出後液を、ｐＨ５．３〜５．５の範囲内に中和し、浸出後液からアルミニウムイオンの少なくとも一部を除去して中和後液を得る中和工程と、
中和後液に対して溶媒抽出を行い、該中和後液からアルミニウムイオンの残部を抽出する抽出工程とを含み、
前記抽出工程で、中和後液に対し、燐酸エステル系抽出剤及びオキシム系抽出剤を含有する混合抽出剤を使用して溶媒抽出する、リチウムイオン電池スクラップの処理方法。
前記中和工程での中和により、前記中和後液中のアルミニウムイオン濃度を１００ｍｇ／Ｌ以下にする、請求項１に記載のリチウムイオン電池スクラップの処理方法。
前記浸出後液が、さらにマンガンイオン及び／又は銅イオンを含み、
前記抽出工程で、中和後液からアルミニウムイオンとともにマンガンイオン及び／又は銅イオンを抽出する、請求項１又は２に記載のリチウムイオン電池スクラップの処理方法。
前記浸出後液が、さらに鉄イオンを含み、
前記中和工程で、前記中和の前に、浸出後液に酸化剤を添加し、ｐＨを３．０〜５．０の範囲内に調整して、浸出後液から鉄イオンを除去する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池スクラップの処理方法。