GSアライアンスは、廃棄回収されたリチウムイオン電池から取り出した再生材料であるブラックマスを元に、環境に優しいサスティナブルな正極材料を開発しました。
GSアライアンス ブラックマス由来のサスティナブルな正極材料を開発
現代社会において、リチウムイオン電池は代表的な蓄電池であり、電気自動車、スマートフォンやパソコンなどを含めた種々の蓄電池として用いられている電池です。
しかしながら、今後の電気自動車などのさらなる高効率化やスマートグリッド社会の実現などの要求に対応していくためには電池容量のさらなる向上、安価なリチウムイオン電池の開発が求められています。
GSアライアンスはリチウム硫黄電池、アルミニウム系二次電池、リチウム過剰型正極、酸化物系固体電解質、金属有機構造体を応用した電極材料などの各種の次世代型二次電池の研究開発を活発に行っており、電池の性能を大きく左右する構成材料である電極、電解質、セパレーターの合成、調整などを全て同社内で行っています。
さらに、電極塗布用インクの作成、試験用セルの作成、電気化学的測定、分析、少量パイロット生産の準備など全て同社内で行っています。
そのような状況の中、同社の森 良平博士(工学)と古西 克人研究員は、廃棄回収されたリチウムイオン電池から取り出した再生材料であるブラックマスを元に合成した、環境に優しいサスティナブルな正極材料を開発しました。
ブラックマスとは、リチウムイオン電池から取り出されるリサイクル材料で、黒い粉体であり、コバルト、ニッケル、マンガン、リチウムなどのレアメタルを含んでいます。
通常は、ブラックマスから硫酸、塩酸、苛性ソーダなどの強酸、強アルカリを用いて、コバルト、ニッケル、マンガン、リチウムなどの金属を抽出して、析出反応によりこれらの金属を固形化して、再び正極材料として合成する場合が多いですが、この方法だと強酸などを使用するので、環境に負荷が大きく、毒性もあり、労働環境も悪くなり、コストも高くなります。
それに対して同社では、このような強酸などの毒性の強い化学物質を一切使用しない、安価で、環境に優しいシンプルな方法で、ブラックマスから、また新しい正極材料を合成することに成功しました。
このように同社の独自の方法で合成したブラックマス由来の正極を用いたリチウムイオン電池は、市販のNMC111(LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2)と呼ばれる正極材料と比較して、85-90％の初期容量を示し、100サイクル後もNMC111と同じく、比較的安定していました。
リサイクル材料の欠点であるLi, Mn, Mn, Coなどの含有金属の元素含有量のブレも調整して、安定的な電池容量、サイクル特性が発揮できるように出来るだけ最適化しています。
このブラックマス由来の正極材料は、リサイクル材料を使っており、合成法も毒性がなく、安価な方法なので、環境に優しい、サスティナブルなリチウムイオン電池用の正極材料です。
これらの成果は、2024年8月に米国コロラド州デンバーで開催されるアメリカ化学会の秋季年会で発表される予定です。
ブラックマスとは
現在検討が進められているリチウムイオン電池のリサイクルの主な方法においては、まず、使用済みのリチウムイオン電池を回収、分解、粉砕して、主なベースメタル(埋蔵量、産出量が多く、比較的精錬、回収が簡単な金属)や、その他の不純物などを取り除きます。
このような工程を経た後に、見かけは黒い粉体である“ブラックマス”と呼ばれる物質を取り出してきます。
このブラックマスには、リチウムイオン電池を構成していたプラスチック、樹脂、電解液、バインダー、アルミニウム、銅、鉄、スチール、グラファイトなどが含まれています。
一方で、上述したコバルト、ニッケル、マンガン、リチウムなどの貴重な金属も大量に含有されています。
よって、これらの貴重な金属を抽出して、新しいリチウムイオン電池の再生に使用します。
しかしながら、これらの金属を抽出する工程において、硫酸や塩酸などの毒性の高い化学物質が使用されており、工場、機械、また作業員、総じて環境に対しての負荷が高く、毒性も懸念されています。
GSアライアンスとしては、このようにして作成したブラックマス由来正極を、今後、国内外の興味のある顧客に対して、提案、サンプル対応していく予定です。
