すすぎと繰り返し: バッテリーを簡単にリサイクルする新しい方法が登場

リチウムイオン電池はエレクトロニクスに革命をもたらし、クリーン エネルギーへの移行の加速を可能にしました。 これらの電池は 21 世紀の生活に不可欠な部分となっていますが、2050 年までに電池がなくなる危険があります。各電池に使用される主な元素であるリチウム、ニッケル、コバルト金属や黒鉛は、ますます希少で高価になっています。そして、残りの国際サプライチェーンの一部については、環境や公正な労働に関する監視がほとんど行われていない。

私たちがすでに掘り出した材料の再利用を開始し、バッテリー製造プロセスをすべての人にとってより安全で公平なものにすることが急務となっています。 ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の科学者チームは、両方の条件を満たせる、受賞歴のある新しい電池材料を発明しました。 クイックリリースバインダーと呼ばれる同社の製品を使用すると、リチウムイオン電池内の貴重な材料を他のコンポーネントから分離し、新しい電池で再利用するために回収することが簡単かつ手頃な価格で可能になります。

バークレー研究所のエネルギー技術分野の上級科学者であり、バークレー研究所エネルギー貯蔵センターのメンバーであり、プロジェクトリーダーのガオ・リウ氏は、「バッテリーのリサイクルが必須の段階に達しつつある」と語った。 「燃やしてゴミに捨てるのをやめなければ、今後10年で資源が枯渇してしまうでしょう。そうしないと、市場が要求する電池の数に追いつくのは不可能です。コバルトが足りないのです」ニッケルが足りません – リサイクルする必要があります。」クイックリリースバインダーで作られたバッテリーは、開封して室温のアルカリ水に入れて軽く振るだけです。 分離された要素は水から簡単に濾過され、空気乾燥されます。

これは、最初に電池を細断して粉砕し、次にそれらを燃やして金属を他の成分から分離する現在のリチウムイオンリサイクルとは顕著な対照である。 リサイクル会社はプロセスを可能な限り効率化することを目指していますが、ほとんどのバッテリーの過去および現在の設計により、元素の回収は依然としてエネルギーを大量に消費し、高価であり、慎重に管理する必要がある有毒化学物質が放出されます。

チームメンバー (左上から時計回りに) Robert Kostecki 氏、エネルギー貯蔵・分散型資源部門部門ディレクター。 Gao Liu、Liu Lab 主任研究員。 Chen Fang、博士研究員。 Muhammad Ihsan Ul Haq、博士研究員 (クレジット: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

バークレー研究所エネルギー貯蔵センターのリュー氏と彼のチームは、クイックリリース バインダーを作成したとき、開発中の従来のリチウムイオンの代替品の 1 つであるリチウム硫黄電池に取り組んでいました。 リチウム硫黄電池は、希少なコバルトを使用せずに製造でき、リチウムイオンよりも高い理論エネルギー密度を有するため、電池の研究開発の世界で注目されているコンセプトです。 しかし、バッテリーが商業的に採用される前に解決しなければならない機能上の問題が数多くあります。 クイックリリースバインダーは、Li-S 電池を簡単にリサイクル可能にし、主要な性能問題の 1 つを解決すると思われます。 この発見はそれ自体非常に興味深いものですが、Liu の研究室のポスドク研究員である Chen Fang は、彼らの新しいバインダー材料にはさらに大きな可能性があることに気づきました。それは今日のリチウムイオン電池にも使用できる可能性があるということです。

バインダーは、家庭用品で使用されるリチウムイオン電池やアルカリ電池など、ほとんどの種類の電池で使用される接着剤のような物質です。 バッテリーには 2 つの電極 (正に帯電したカソードと負に帯電したアノード) があり、電流を生成する導電性化学物質と、安定した耐久性のある性能を実現するために活性成分を所定の位置に保持する構造材料で作られています。 バインダーは、名前が示すように、これらの成分を結合し、バッテリーの構造を維持するのに役立ちます。

新しいクイックリリースバインダーは、ポリアクリル酸 (PAA) とポリエチレンイミン (PEI) という 2 つの市販のポリマーから作られており、これらのポリマーは、PEI の正に帯電した窒素原子と PAA の負に帯電した酸素原子の間の結合によって結合されます。 固体バインダー材料を水酸化ナトリウム (Na+OH-) を含むアルカリ水に入れると、ナトリウム イオンが結合部位に飛び出し、2 つのポリマーが分解されます。 分離されたポリマーは液体に溶解し、内部に埋め込まれた電極コンポーネントが遊離します。

このバインダーはアノードとカソードの製造に使用でき、価格は最も一般的に使用されている 2 つの市販バインダーの約 10 分の 1 です。 「（私たちの最近の研究では）実験室規模ではプロセス全体が非常に簡単であることが実証されており、それが産業規模でも同様にうまく機能しない理由は見当たりません」とファン氏は述べた。 同氏は、研究チームはこの材料が携帯電話の小型電池から国内の電力網にバックアップエネルギーを蓄えるために配備されている超大型電池に至るまで、あらゆるサイズの電池に使用できると信じていると付け加えた。

9月下旬、この技術はR&D 100 Awardsにより、2022年に世界で開発される革新的な技術トップ100の1つとして認められました。

チームは現在、バッテリーリサイクル開発者でありOnTo Technologiesの創設者であるSteve Sloopと協力して、製品のテストを完了し、市場に投入する予定です。 過去の実験により、このバインダーは高電圧および低電圧で非常に安定していることが実証されており、現在、このバインダーを使用してプロトタイプのリチウムイオン電池を構築し、その性能を包括的に分析し、その機能を実証する予定です。

これらのテストがうまくいけば、商業生産へのスムーズな移行が科学者らによって予測されています。 「現在の製造プロセスをバインダーの使用に適応させることに基本的な障害はありません。リサイクルが簡単になるのと同じ理由で実際に製造が簡単になるからです。強力な溶剤の代わりに水を使用できるのです」とチェン氏は述べた。 新しい電池を製造するために、メーカーは結合剤を化学溶剤で処理してすべての電極成分を含むスラリーを作成し、これを電極シート上に所望の形状と厚さに堆積させます。 「これは、現在のメーカーが有毒な溶剤の蒸気から作業者を保護し、溶剤の安全な廃棄を管理するために追加の機器や設備を設置する必要があることを意味します。」 クイックリリースバインダーを使用すれば、これらの手順が不要になります。

Sloop 氏によると、クイックリリース バインダーはバッテリー設計のパラダイム シフトを表しています。 先進的な電池を設計して事後的にリサイクルプロセスを構築しようとするのではなく、Liu のチームは最初に「リサイクルのための設計」を行った。

「このバインダーには、低コストで環境に優しい処理で『解凍』できるという優れた特徴があり、これは先進的なバッテリーシステムの経済的および環境的持続可能性を向上させることで私たち全員に利益をもたらします」とスループ氏は述べた。 「バッテリーに、焦げ付き防止コーティングや他の多くの製品の製造に使用される化合物群であるパー​​フルオロアルキルおよびポリフルオロアルキル物質 (PFAS) が含まれていないことも大きな成果ですが、これは将来にとって非常に重要です。顧客はそれらの要求を望んでいません。健康問題との関連性が浮上しており、近いうちに規制当局もこれらの化学物質を使い続けることはできないことに同意すると思います。」

リュー氏とスループ氏は将来に目を向け、電池会社やバインダーメーカーと会合し、商業化について話し合っている。 彼らは、クイックリリース技術をライセンス供与して、すべての主要なリチウムイオン ブランドで使用できるようにしたいと考えています。 いつの日か、このチームの発明は屋根の下やボンネットの下にあるすべての電池に組み込まれ、残りのレアアース金属が地中に残る可能性があります。

クイックリリースバインダーの開発は、エネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー局と On​​To Technologies の支援を受けました。 このテクノロジーは、[email protected] にご連絡いただくことでライセンスを取得できるようになりました。

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最大の科学的課題にはチームで対処するのが最善であるという信念に基づいて 1931 年に設立されたローレンス バークレー国立研究所とその科学者は、16 回のノーベル賞を受賞しています。 現在、バークレー研究所の研究者は、持続可能なエネルギーと環境ソリューションを開発し、有用な新材料を作成し、コンピューティングの最前線を前進させ、生命、物質、宇宙の謎を探求しています。 世界中の科学者が、独自の科学発見のためにこの研究所の施設を利用しています。 バークレー研究所は、カリフォルニア大学が米国エネルギー省科学局のために管理するマルチプログラムの国立研究所です。