リチウムイオン電池の基礎知識とリサイクルが必要なワケ：LIBリサイクルの水熱有機酸浸出プロセス開発の取り組み（1）（1/2 ページ）
本連載では東北大学大学院 工学研究科附属 超臨界溶媒工学研究センターに属する研究グループが開発を進める「リチウムイオン電池リサイクル技術の水熱有機酸浸出プロセス」を紹介する。第1回ではリチウムイオン電池の基礎知識やリサイクルが必要な背景、当研究グループの取り組みの一部を取り上げる。
リチウムイオン電池の基礎知識
リチウムイオン電池（LIB）は、携帯機器や大規模蓄電システムなどに幅広く応用され、高いエネルギー効率、公称電圧、容量、安定性、寿命、軽量、小型化などの特性により、持続可能な電源としての需要が増加している。特に、電気自動車（EV）の普及に伴いLIBの需要が急速な高まりを見せている。
LIBは一般的に、正極、負極、電解質、セパレーターから構成されている。中でも、正極材料はLIBの性能に大きく影響を与える重要な要素の1つである。一般的に使用される正極材料には、LiCoO2（LCO）、LiNiO2（LNO）、LiMn2O4（LMO）、LiFePO4（LFPO）、それら元素を適宜混在させたLiCo2-x-yNixMnyO2（NCM）などがある。これらの材料は、Li＋の挿入／脱離によって電気化学反応を引き起こし、電池の充放電過程を可能にしている。
特に、コバルト（Co）やニッケル（Ni）を主体とする、LCO、LNO、NCMなどの層状構造を持つ正極材料は高いエネルギー密度を持ち、携帯電話機やノートPCなどの携帯機器に広く使用されている。スピネル構造を持つLMOや、オリビン構造を持つLiFePO4は安定性が高く、安全性が求められる自動車用電池に適している。それぞれの正極材料は、特定の応用や性能要件に合わせて選択され、LIBの正極材料の選択は、電池の性能、安全性およびコストに直接影響を与えるため、重要な決定事項である。
LIBの生産は大量の正負極材料を消費し、大量の使用済みLIBを生み出しているが、廃棄LIBの市場が確立していないためリサイクル率が低い。しかし、今後のLIBの循環利用に向け、増大の一途をたどる使用済みLIBから、金属成分などの有価の成分を回収し、リサイクルする技術の開発が極めて重要である。
普及拡大と欧州廃電池規制
使用済みLIBのリサイクルは、環境保護や資源の有効活用において重要な役割を果たす。使用済みLIBは、常に有害固形廃棄物の一種と見なされるため、安全に処理する必要がある［参考文献1、2］。すなわち、廃棄されたLIBを放置することで懸念されることとして、Coなどの金属による環境汚染がある。
適切に回収し有効に利活用することで、そうした環境汚染を防止することができる。また、各種金属は鉱山や湖沼などを切り開き採掘されたものを利用している。その際に、自然を破壊することになり、生態系が消失し、CO2の固定源と森林なども消滅することになる。そのため、LIBが増産され、それに伴い要求される金属量を全て鉱山や湖沼から生産されるとなると、自然の破壊は加速されることになる。
こうした状況を生み出す、LIBの一過性利用の現状を大きく変えるため、欧州はLIBの再利用を推進するため廃電池に関する規則「COM（2020）798」を発効した［参考文献3］。欧州委員会が2020年12月に発効した電池規制（2006/66/EC）およびCOM（2020）798の比較を表1で、COM（2020）798に記載されたLIBの再利用に関わるタイムスタンプを図1で、COM（2020）798に記載された2025年と2030年の各金属の回収率を図2で紹介する。
表1に示すように、2020年12月に発効した電池規制（2006/66/EC）にはLIBに用いられている元素に対する規制はほとんど示されておらず、廃棄LIBに関するリサイクル率も45％程度と低く設定されていた。それに対し、COM（2020）798では、2030年にはLIBを70％回収し、Li、Co、Niなど、LIBに用いられる必須金属は70％を超えて回収される必要があるとする。また、2kWhの大型電池に限られるが、再生品の割合が10％を超えるLi、Co、Niを用いなければならないとしている。
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