リチウムバッテリーとGHG排出のリサイクル

リチウムイオンバッテリー（LIB）は、他の電気エネルギー貯蔵システムに対して質量あたりのエネルギーが高いため、現在、携帯電話、ノートパソコン、電気自動車（EV）で使用されています。また、高いパワー対重量比、エネルギー効率、高温性能、低自己放電を持っています。今日のすべての電気自動車とプラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）のほとんどはリチウムイオンバッテリーを使用しています。これらのバッテリーの正確な化学成分は、消費者向け電子機器に使用されるものとは異なることがよくあります。この業界が直面している現在の課題は、比較的高いコスト（供給が限られているため）を削減し、寿命を延ばし、過熱による爆発の安全性に関する懸念に対処することです。したがって、LIBで使用される材料のリサイクルと再利用のための新しい解決策が必要です。LIBのほとんどのコンポーネントはリサイクル可能ですが、材料回収のコストは業界にとって依然として課題です。したがって、新しい解決策が必要です。

LIBの用途は「ゼロエミッション」とラベル付けされることがよくあります。しかし、これは調達および生産段階で発生するサプライチェーンの排出を無視しています。LIBは、EV製造中に温室効果ガス（GHG）を排出する主な要因の一つです。この場合、LIBをリサイクルすることが推奨されており、エネルギー消費を削減し、GHG排出を軽減し、かなりの廃棄物削減をもたらします。さらに、クリーンエネルギー技術のラインでのLIBの生産加速は、リチウム（Li）、コバルト（Co）、マンガン（Mn）などの鉱物に対する強い需要を生み出しています。使用済みLIBは、これらの鉱物の二次供給源と見なされる可能性があります。廃棄物からこれらの鉱物を回収する環境に優しい方法を見つけることが重要です。EVの人気の高まりは、これらの車両を動かすために使用されるリチウムイオンバッテリーの需要の急増をもたらしました。米国では、EVは2030年までに販売されるすべての車の5％から25％に増加すると予想されています。道路上のEVの数が増え続けるにつれて、それらのバッテリーの効率的かつ効果的なリサイクルの必要性も高まっています。

LIBをリサイクルすることで、新しいバッテリーを生産するために必要なエネルギーを削減し、有害物質が環境に入るのを防ぐことでGHG排出を削減できます。この記事では、バッテリーのリサイクルがGHG排出を削減するのにどのように役立つか、そしてこれらのバッテリーが適切にリサイクルされることを確保するためにどのような手順を講じることができるかについて説明します。

LIBの生産には、通常、石炭や天然ガスなどの化石燃料を燃焼させて生成される大量のエネルギーが必要です。このプロセスは、大量のGHGを大気中に放出し、気候変動に寄与します。新しいバッテリーを生産する代わりにバッテリーをリサイクルすることで、生産に必要なエネルギーを削減し、したがってGHG排出を削減できます。LIBをリサイクルすることで、鉛やカドミウムなどの有害物質が環境に入るのを防ぎます。これらの材料は、水や土壌システムに放出されると毒性を持つ可能性があるため、適切にリサイクルする必要があります。EVバッテリーを適切かつ効率的にリサイクルするために、いくつかの手順を講じることができます。まず、製造業者は、分離およびリサイクルが容易な材料を使用して、リサイクル可能性を考慮して製品を設計する必要があります。これにより、リサイクル業者が追加のエネルギーや資源を使用せずに材料を処理しやすくなります。さらに、製造業者は、消費者が使用済みEVバッテリーを適切にリサイクルできるように、廃棄方法に関する明確な指示を提供する必要があります。

コアの区別：再製造とリサイクル

これらの2つのライフサイクルの終わりの経路を区別することは重要です。なぜなら、それぞれがバッテリーのライフサイクルの異なる段階で介入するからです。

再製造（リファービッシュおよびリパーパス）：これはパックまたはモジュールレベルで発生します。バッテリーを破壊して原材料を収穫するのではなく、バッテリーパックを分解し、不良セルまたはモジュールを交換します。バッテリーは再バランスされ、制御電子機器が更新されます。その結果、機能するバッテリーパックが「セカンドライフ」（しばしば定置型エネルギー貯蔵に）に準備され、材料リサイクルの必要性が先送りされます。

リサイクル：これは、バッテリーが絶対的な寿命の終わりに達したときに材料レベルで発生します。目標は、原材料を抽出すること（抽出）または活性材料を復元すること（直接リサイクル）です。新しいバッテリーセルを製造するために。

LIBのリサイクル方法は3つあります：火法冶金、湿法冶金、およびEVバッテリーの直接物理リサイクル方法です。火法冶金、湿法冶金、および直接物理リサイクル方法の炭素排出量は、いくつかの研究で計算されています。

火法冶金リサイクルプロセス：バッテリーは粉砕され、高温（>1000°C）で溶解されます。これにより金属合金（ニッケル、コバルト）が回収されますが、プラスチックとグラファイトは燃焼します。

火法冶金リサイクルプロセスの炭素排出量は5.11 kg CO₂-eq/kWhです。
このプロセスは、1000 °C以上の温度でバッテリーを高温で溶解します。
GHG排出は、冶金プロセスで消費される化石燃料エネルギーから生じます。
アノードのグラファイトは火法冶金でリサイクルできず、高温環境でのグラファイトの熱分解はGHG排出を生じます。
高い経済的価値がありますが、エコロジー的価値は低いです。

湿法冶金リサイクルプロセス：バッテリーは「ブラックマス」に粉砕され、酸性溶液に溶解されて金属を分離します。これにより、ニッケル、コバルト、リチウム炭酸塩などの特定の原材料が回収されます。

湿法冶金のGHG排出量は2.68 kg CO₂-eq/kWhで、火法冶金の47.6%低いです。
湿法冶金は、低温条件下での化学処理の10の主要なステップを実行し、高エネルギー消費および高炭素排出プロセスを伴いません。
ただし、このプロセスはかなりの量の有毒ガスと廃棄物溶液を生成します。

直接物理リサイクル（注入法）：従来の抽出とは異なる新興技術です。カソード材料を原子まで分解するのではなく、結晶構造を保持します。新鮮なリチウムが「注入」される（再リチウム化）か、表面がアニーリングされて電気化学的性能が回復されます。「バッテリーグレード」のカソード粉末が新しいバッテリーにすぐに戻る準備が整い、結晶構造を再合成する必要がありません。

直接物理リサイクル法の炭素排出量は3.65 kg CO₂-eq/kWhです。
直接物理リサイクルの製品はバッテリー生産に直接使用できる材料であるため、複雑な材料再生手順と二次汚染が削減されます。
修理プロセスで使用されるニッケルリッチ材料（Ni_0.83Mn_0.09Co_0.08(OH)₂、Ni(OH)₂、またはLiOH–Li₂SO₄など）は、熱処理プロセスで使用され、エネルギー消費が炭素排出の主な原因です。

非循環バッテリーと比較したGHG排出削減の比較

LIBのリサイクルプロセスは炭素排出を生じますが、リサイクルされた材料はバッテリーを製造するために直接使用できるため、原材料の採掘および精製によって引き起こされる炭素排出を回避できます。したがって、エンジニアはLIBとバージンバッテリーのGHG排出削減量を推定します。

リサイクル材料を使用して再製造されたバッテリーのGHG排出量は

火法冶金は86.86 kg CO₂-eq/kWhで、原材料で製造されたバッテリーよりも4.8%低いです。
湿法冶金は60.77 kg CO₂-eq/kWhで、原材料で製造されたバッテリーよりも33.47%低いです。
直接物理リサイクルは43.92 kg CO₂-eq/kWhで、原材料を使用した場合よりも51.8%低いです。ただし、物理リサイクル法は技術的に成熟しておらず、まだ小規模な実験段階にあります。大規模な応用のために効率的で成熟した物理リサイクル方法を開発することは、炭素排出を削減するために重要です。