JP7742078B2 - Method for treating positive electrode of non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
Method for treating positive electrode of non-aqueous electrolyte secondary batteryInfo
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Description
本発明は、非水電解液二次電池の正極の処理方法、及び金属複合酸化物からの有価金属の回収方法に関する。 The present invention relates to a method for treating the positive electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery and a method for recovering valuable metals from metal composite oxides.
リチウムイオン二次電池等の非水電解液二次電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される電源として用いられており、近年、急激に需要が高まっている。非水電解液二次電池の需要増加に伴い、使用済み非水電解液二次電池、不良品非水電解液二次電池、製造工程で生じる工程屑の量も増加傾向にある。非水電解液二次電池の電極、特に正極には、ニッケル(Ni)やコバルト(Co)等の有価物が含まれている。資源の有効利用のために、非水電解液二次電池から、Ni、Co等の有価物を含む金属材料が回収される。リチウムイオン二次電池の電解液には、非水溶媒にLiPF6(ヘキサフルオロリン酸リチウム)を混合したものが通常用いられており、回収された金属材料には不純物としてのリン(P)が含まれ、金属材料中のPを低減する方法が提案されている。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as lithium-ion secondary batteries, are used as power sources in hybrid and electric vehicles, and demand for them has been rapidly increasing in recent years. As demand for non-aqueous electrolyte secondary batteries increases, the amounts of used non-aqueous electrolyte secondary batteries, defective non-aqueous electrolyte secondary batteries, and process waste generated during manufacturing processes are also on the rise. Valuable materials such as nickel (Ni) and cobalt (Co) are contained in the electrodes of non-aqueous electrolyte secondary batteries, particularly the positive electrodes. To efficiently utilize resources, metal materials containing valuable materials such as Ni and Co are recovered from non-aqueous electrolyte secondary batteries. The electrolyte used in lithium-ion secondary batteries is typically a mixture of a non-aqueous solvent and lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ). The recovered metal materials contain phosphorus (P) as an impurity, and methods for reducing the P content in the metal materials have been proposed.
例えば、特許文献1には、廃リチウムイオン電池から有価金属を回収する方法として、廃リチウムイオン電池を熔融し、得られた熔融物からスラグを分離して、有価物を含む金属材料を回収した後、この金属材料に酸素を吹き込みながら酸化カルシウム(CaO)を添加することで、金属材料中のPを酸化して除去する脱リン工程を行う方法が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a method for recovering valuable metals from waste lithium-ion batteries, in which waste lithium-ion batteries are melted, slag is separated from the resulting molten material, and metal materials containing valuables are recovered. Then, calcium oxide (CaO) is added to the metal materials while oxygen is blown into them, thereby carrying out a dephosphorization process to oxidize and remove the P in the metal materials.
特許文献2には、廃リチウムイオン電池から有価金属を回収する方法として、電池の粉砕物にフラックスとしてCaOを添加し、粉砕物をフラックスとともに熔融することで、Pをフラックスに取り込んでスラグとして分離し、金属材料中のPを低減する方法が記載されている。 Patent Document 2 describes a method for recovering valuable metals from discarded lithium-ion batteries, in which CaO is added as a flux to crushed battery material, and the crushed material is melted together with the flux, thereby incorporating P into the flux and separating it as slag, thereby reducing the P content in the metal material.
特許文献1に記載された回収方法では、脱リン工程が必要であるので、リサイクルコストが高くなるという課題がある。また、特許文献1、2に記載された回収方法では、金属材料中のPを十分に低減させることができない。 The recovery method described in Patent Document 1 requires a dephosphorization step, which raises the issue of high recycling costs. Furthermore, the recovery methods described in Patent Documents 1 and 2 are unable to sufficiently reduce the P content in the metal material.
そこで本発明は、低コストで金属材料中のリン(P)を低減させることができる非水電解液二次電池の正極の処理方法、及び低コストで不純物が低減された有価金属を回収することができる金属複合酸化物からの有価金属の回収方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for treating the positive electrodes of non-aqueous electrolyte secondary batteries that can reduce phosphorus (P) in metal materials at low cost, and a method for recovering valuable metals from metal composite oxides that can recover valuable metals with reduced impurities at low cost.
本発明に係る非水電解液二次電池の正極の処理方法は、Alを含む箔とNi及び/又はCoを含む金属複合酸化物としての活物質とを有する正極を備える非水電解液二次電池の正極の処理方法であって、前記正極に、Ni及び/又はCoを含む酸化物を酸化剤として添加する添加工程と、前記酸化剤が添加された前記正極を溶融することにより、前記正極に含まれるPを酸化除去し、Ni及び/又はCoを含む金属材料を得る溶融工程とを有する。 The method for treating the positive electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a method for treating the positive electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery equipped with a positive electrode having an Al-containing foil and an active material in the form of a metal composite oxide containing Ni and/or Co. The method includes an addition step of adding an oxide containing Ni and/or Co as an oxidizing agent to the positive electrode, and a melting step of melting the positive electrode to which the oxidizing agent has been added to oxidize and remove P contained in the positive electrode, thereby obtaining a metal material containing Ni and/or Co.
本発明に係る金属複合酸化物からの有価金属の回収方法は、有価金属を含む金属複合酸化物からの有価金属の回収方法であって、前記金属複合酸化物に、前記金属複合酸化物中の前記有価金属を還元する還元剤を添加する還元剤添加工程と、前記還元剤が添加された前記金属複合酸化物に、有価金属を含む酸化物を酸化剤として添加する酸化剤添加工程と、前記還元剤及び前記酸化剤が添加された前記金属複合酸化物を溶融することにより、前記金属複合酸化物中の前記有価金属を還元するとともに、前記金属複合酸化物に含まれる不純物を酸化して、有価金属と酸化物とを含む溶融物を得る溶融工程と、前記溶融物から前記酸化物を分離し、前記有価金属を得る分離工程とを有する。 The method for recovering valuable metals from a metal composite oxide according to the present invention is a method for recovering valuable metals from a metal composite oxide containing valuable metals, and includes the following steps: a reducing agent addition step of adding a reducing agent to the metal composite oxide that reduces the valuable metal in the metal composite oxide; an oxidizing agent addition step of adding an oxide containing a valuable metal as an oxidizing agent to the metal composite oxide to which the reducing agent has been added; a melting step of melting the metal composite oxide to which the reducing agent and oxidizing agent have been added, thereby reducing the valuable metal in the metal composite oxide and oxidizing impurities contained in the metal composite oxide to obtain a molten material containing the valuable metal and oxide; and a separation step of separating the oxide from the molten material to obtain the valuable metal.
本発明によれば、Ni及び/又はCoを含む酸化物を酸化剤として正極に添加し、酸化剤が添加された正極を溶融することにより、低コストで金属材料中のリン(P)を低減させることができる。 According to the present invention, by adding an oxide containing Ni and/or Co as an oxidizing agent to the positive electrode and then melting the positive electrode to which the oxidizing agent has been added, it is possible to reduce phosphorus (P) in the metal material at low cost.
本発明によれば、有価金属を含む金属複合酸化物に還元剤と酸化剤とを添加し、還元剤及び酸化剤が添加された金属複合酸化物を溶融することにより、低コストで不純物が低減された有価金属を回収することができる。 According to the present invention, by adding a reducing agent and an oxidizing agent to a metal composite oxide containing valuable metals and then melting the metal composite oxide to which the reducing agent and oxidizing agent have been added, valuable metals with reduced impurities can be recovered at low cost.
1.実施形態
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
1. Embodiments Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る非水電解液二次電池の正極の処理方法に使用される非水電解液二次電池10の斜視図である。非水電解液二次電池10は、電気自動車やハイブリッド自動車等の自動車の電源として利用された使用済みのリチウムイオン二次電池である。以下の説明では非水電解液二次電池10がリチウムイオン二次電池である場合を例に説明するが、非水電解液二次電池10としては、リチウムイオン二次電池に限定されず、マグネシウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、カリウムイオン二次電池、カルシウムイオン二次電池等でも良い。非水電解液二次電池10は、使用済みのものに限られず、製造後に不良が確認された未使用の非水電解液二次電池でも良い。また、本実施形態に係る非水電解液二次電池の正極の処理方法において処理対象となる正極は、使用済みの非水電解液二次電池から取り出した正極、未使用の非水電解液二次電池から取り出した正極、非水電解液二次電池の製造工程における工程屑(例えば電極体の不良品等)から取り出した正極、正極の製造工程における工程屑等でも良い。処理対象の正極には、例えば、後述のLiPF6(ヘキサフルオロリン酸リチウム)等の電解質に由来するリン(P)、正極材料中の不純物としてのP等が含まれている。 FIG. 1 is a perspective view of a nonaqueous electrolyte secondary battery 10 used in the method for treating a positive electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment. The nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is a used lithium-ion secondary battery used as a power source for automobiles such as electric vehicles and hybrid vehicles. In the following description, the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is a lithium-ion secondary battery. However, the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is not limited to a lithium-ion secondary battery and may be a magnesium-ion secondary battery, a sodium-ion secondary battery, a potassium-ion secondary battery, a calcium-ion secondary battery, or the like. The nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is not limited to a used battery and may be an unused nonaqueous electrolyte secondary battery that has been confirmed to be defective after manufacture. Furthermore, the positive electrode to be treated in the method for treating a positive electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment may be a positive electrode removed from a used nonaqueous electrolyte secondary battery, a positive electrode removed from an unused nonaqueous electrolyte secondary battery, a positive electrode removed from process waste (e.g., defective electrode bodies) in the manufacturing process of a nonaqueous electrolyte secondary battery, or process waste in the manufacturing process of a positive electrode. The positive electrode to be treated contains, for example, phosphorus (P) derived from an electrolyte such as LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate) described below, and P as an impurity in the positive electrode material.
非水電解液二次電池10は、セル容器12に、電極体(図示せず)と非水電解液(図示せず)とを備える。セル容器12は、例えばアルミニウム合金製である。セル容器12は、容器本体14及び蓋体16を含む。容器本体14と蓋体16とは、レーザー溶接されている。容器本体14は、有底角筒状に形成されており、内部に電極体と非水電解液とを収容する。蓋体16は、容器本体14の開口に設けられ、容器本体14を密閉する。蓋体16には、安全弁18、正極端子20、及び負極端子22が設けられている。安全弁18は、非水電解液二次電池10の内部の圧力を低下させるためのものである。正極端子20は、正極リード(図示せず)を介して、後述する正極と接続している。負極端子22は、負極リード(図示せず)を介して、後述する負極と接続している。 The nonaqueous electrolyte secondary battery 10 includes a cell container 12 containing an electrode assembly (not shown) and a nonaqueous electrolyte (not shown). The cell container 12 is made of, for example, an aluminum alloy. The cell container 12 includes a container body 14 and a lid 16. The container body 14 and the lid 16 are laser-welded. The container body 14 is formed in a bottomed rectangular tube shape and contains the electrode assembly and the nonaqueous electrolyte. The lid 16 is provided at the opening of the container body 14 and seals the container body 14. The lid 16 is provided with a safety valve 18, a positive electrode terminal 20, and a negative electrode terminal 22. The safety valve 18 is used to reduce the pressure inside the nonaqueous electrolyte secondary battery 10. The positive electrode terminal 20 is connected to the positive electrode (described below) via a positive electrode lead (not shown). The negative electrode terminal 22 is connected to the negative electrode (described below) via a negative electrode lead (not shown).
電極体は、セパレータ(図示せず)を介して捲回された正極(図示せず)と負極(図示せず)とを含む。電極体は、上記のような捲回型である場合に限られず、正極、負極、及びセパレータを積層した積層型でも良い。 The electrode assembly includes a positive electrode (not shown) and a negative electrode (not shown) wound with a separator (not shown) interposed therebetween. The electrode assembly is not limited to the wound type described above, but may also be a laminated type in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator are stacked.
正極は、正極集電体及び正極活物質層を有する。正極集電体はアルミニウム(Al)を含む箔(以下、Al箔とも言う)である。正極における正極集電体の質量比は、5~25質量%である。正極活物質層は、正極活物質、バインダー、及び導電材を含む。正極活物質層における導電材、バインダーの質量比は、それぞれ正極の0~30質量%、0~20質量%である。 The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer. The positive electrode current collector is a foil containing aluminum (Al) (hereinafter also referred to as Al foil). The mass ratio of the positive electrode current collector in the positive electrode is 5 to 25 mass%. The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material, a binder, and a conductive material. The mass ratios of the conductive material and binder in the positive electrode active material layer are 0 to 30 mass% and 0 to 20 mass%, respectively, of the positive electrode.
正極活物質としては、ニッケル(Ni)及び/又はコバルト(Co)を含有する任意の金属複合酸化物を用いることができる。例えば、正極活物質は、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、リチウムニッケルマンガン複合酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等から選択することができる。本実施形態においては、正極活物質は、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物である。なお、正極活物質は、マグネシウムイオン二次電池の場合は任意のマグネシウム複合酸化物を用いることができ、ナトリウムイオン二次電池の場合は任意のナトリウム複合酸化物を用いることができ、カリウムイオン二次電池の場合は任意のカリウム複合酸化物を用いることができ、カルシウムイオン二次電池の場合は任意のカルシウム複合酸化物を用いることができる。 The positive electrode active material can be any metal composite oxide containing nickel (Ni) and/or cobalt (Co). For example, the positive electrode active material can be selected from lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, lithium nickel cobalt composite oxide, lithium nickel manganese composite oxide, lithium nickel cobalt aluminum composite oxide, lithium nickel cobalt manganese composite oxide, etc. In this embodiment, the positive electrode active material is lithium nickel cobalt manganese composite oxide. Note that, for the positive electrode active material, any magnesium composite oxide can be used in the case of a magnesium ion secondary battery, any sodium composite oxide can be used in the case of a sodium ion secondary battery, any potassium composite oxide can be used in the case of a potassium ion secondary battery, and any calcium composite oxide can be used in the case of a calcium ion secondary battery.
バインダーは、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素化合物を含むフッ素系バインダーである。導電材は、黒鉛、カーボンブラック等の炭素材料である。 The binder is a fluorine-based binder containing a fluorine compound such as polyvinylidene fluoride (PVDF). The conductive material is a carbon material such as graphite or carbon black.
負極は、負極集電体及び負極活物質層を有する。例えば、負極集電体は銅(Cu)箔であり、負極活物質は黒鉛である。セパレータとしては、一般的には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の樹脂製の多孔質膜又は不織布が用いられる。 The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer. For example, the negative electrode current collector is copper (Cu) foil, and the negative electrode active material is graphite. The separator is generally a porous membrane or nonwoven fabric made of a resin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP).
非水電解液は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解可能なリチウム塩(電解質)とを含む。非水溶媒としては、カーボネート類、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等が用いられる。これらの非水溶媒は、1種類単独又は2種類以上を組み合わせて使用することができる。 The non-aqueous electrolyte contains a non-aqueous solvent and a lithium salt (electrolyte) that is soluble in the non-aqueous solvent. Examples of non-aqueous solvents that can be used include carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC). These non-aqueous solvents can be used alone or in combination of two or more.
電解質としては、例えば、LiPF6(ヘキサフルオロリン酸リチウム)等のリン(P)を含有する電解質が用いられる。電解質としては、LiBF4(テトラフルオロホウ酸リチウム)、LiTFSA(リチウムトリフルオロメタンスルホニルアミド)、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタン)スルホンイミド)等を用いても良い。これらの電解質は、1種類単独又は2種類以上を組み合わせて使用することができる。以下の説明では電解質がLiPF6である場合を例に説明する。 As the electrolyte, for example, an electrolyte containing phosphorus (P), such as LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), is used. As the electrolyte, LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiTFSA (lithium trifluoromethanesulfonylamide), LiTFSI (lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide), etc. may also be used. These electrolytes may be used alone or in combination of two or more. In the following explanation, the case where the electrolyte is LiPF 6 will be described as an example.
図2に示すように、非水電解液二次電池10の正極の処理方法は、Alを含む箔とNi及び/又はCoを含む金属複合酸化物としての活物質とを有する正極を備える非水電解液二次電池の正極の処理方法であって、正極を準備する準備工程S10と、正極に、Ni及び/又はCoを含む酸化物を酸化剤として添加する添加工程S11と、酸化剤が添加された正極を溶融することにより、正極に含まれるPを酸化除去し、Ni及び/又はCoを含む金属材料を得る溶融工程S12と、正極が溶融した溶融物を、Ni及び/又はCoを含む金属材料とスラグとに分離する分離工程S13とを有する。各工程について、以下に詳細な説明を行う。 As shown in FIG. 2 , the method for treating the positive electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery 10 includes a positive electrode having an Al-containing foil and an active material in the form of a metal composite oxide containing Ni and/or Co. The method includes a preparation step S10 for preparing the positive electrode, an addition step S11 for adding an oxide containing Ni and/or Co as an oxidizing agent to the positive electrode, a melting step S12 for melting the positive electrode to which the oxidizing agent has been added to oxidize and remove P contained in the positive electrode and obtain a metal material containing Ni and/or Co, and a separation step S13 for separating the molten positive electrode into a metal material containing Ni and/or Co and slag. Each step is described in detail below.
[準備工程]
準備工程S10では、セル容器12を開封して取り出した捲回型の電極体を巻き戻すことにより、シート状の正極を準備する。シート状の正極は、次工程である添加工程S11に供される。なお、準備工程S10では、非水電解液二次電池10を放電させる放電工程、放電させた非水電解液二次電池10のセル容器12内を洗浄液で洗浄するセル内洗浄工程、シュレッダー等を用いてシート状の正極を裁断する裁断工程等を行っても良い。準備工程S10で準備する正極は、本実施形態では使用済みの非水電解液二次電池10から取り出した正極であるが、これに限られず、未使用の非水電解液二次電池から取り出した正極、非水電解液二次電池の製造工程における工程屑から取り出した正極、正極の製造工程における工程屑でも良い。準備工程S10は、正極のみを準備することが好ましい。後述の溶融工程S12において、正極以外の部材(セル容器12、セパレータ、負極等)が含まれていると、還元反応が阻害されるからである。
[Preparation process]
In the preparation step S10, the cell container 12 is opened and the removed wound electrode assembly is rewound to prepare a sheet-like positive electrode. The sheet-like positive electrode is then subjected to the next step, the addition step S11. The preparation step S10 may also include a discharging step in which the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is discharged, an internal cell cleaning step in which the inside of the cell container 12 of the discharged nonaqueous electrolyte secondary battery 10 is cleaned with a cleaning solution, and a cutting step in which the sheet-like positive electrode is cut using a shredder or the like. In this embodiment, the positive electrode prepared in the preparation step S10 is a positive electrode removed from a used nonaqueous electrolyte secondary battery 10. However, the present invention is not limited thereto, and the positive electrode may be a positive electrode removed from an unused nonaqueous electrolyte secondary battery, a positive electrode removed from process waste in the manufacturing process of a nonaqueous electrolyte secondary battery, or process waste in the manufacturing process of a positive electrode. It is preferable that only a positive electrode be prepared in the preparation step S10. This is because, in the melting step S12 described below, if components other than the positive electrode (such as the cell container 12, separator, and negative electrode) are included, the reduction reaction will be inhibited.
[添加工程]
添加工程S11は、正極に、Ni及び/又はCoを含む酸化物を酸化剤として添加する。酸化剤の形状は、特に制限はなく、粉末状、塊状、シート状等の形状を適宜選択することができる。例えば、正極と、酸化剤の粉末とを袋に入れて振ることにより、正極の表面に酸化剤の粉末を付着させることができる。正極と、酸化剤の粉末とを、ブレンダー、ヘンシェルミキサー、ナウターミキサー等のミキサーで混合しても良い。酸化剤が添加された正極は、次工程である溶融工程S12に供される。
[Addition process]
In the addition step S11, an oxide containing Ni and/or Co is added to the positive electrode as an oxidizing agent. The shape of the oxidizing agent is not particularly limited, and a powder, block, sheet, or other shape can be appropriately selected. For example, the positive electrode and the oxidizing agent powder can be placed in a bag and shaken to adhere the oxidizing agent powder to the surface of the positive electrode. The positive electrode and the oxidizing agent powder may be mixed in a mixer such as a blender, Henschel mixer, or Nauta mixer. The positive electrode to which the oxidizing agent has been added is then subjected to the next step, the melting step S12.
酸化剤は、Pを酸化するが、回収する対象であるNi及び/又はCoを酸化し難い物質であることが必要であり、Pよりも酸化され難い元素を含む酸化物である。「Pよりも酸化され難い元素」とは、エリンガム図において、Pよりも上方に位置する元素であり、Ni、Co等が挙げられる。酸化剤は、Pよりも酸化され難い元素を含む酸化物であることが必要であるが、Pよりも酸化され易い元素を含んでも良い。「Pよりも酸化され易い元素」とは、エリンガム図において、Pよりも下方に位置する元素であり、Li等が挙げられる。酸化剤にPよりも酸化され易い元素が含まれていても、溶融工程S12でPとともに酸化除去される。 The oxidizing agent must be a substance that oxidizes P but does not easily oxidize the Ni and/or Co to be recovered, and is an oxide containing an element that is more difficult to oxidize than P. "Elements that are more difficult to oxidize than P" are elements located above P on the Ellingham diagram, such as Ni and Co. The oxidizing agent must be an oxide containing an element that is more difficult to oxidize than P, but may also contain an element that is more easily oxidized than P. "Elements that are more easily oxidized than P" are elements located below P on the Ellingham diagram, such as Li. Even if the oxidizing agent contains an element that is more easily oxidized than P, it will be oxidized and removed along with P in the melting step S12.
酸化剤は、NiO、CoO、Co2O3、Co3O4、NiMnCo複合酸化物、NiMn複合酸化物、MnCo複合酸化物、NiCo複合酸化物、Ni及び/又はCoを含有する複合酸化物である正極活物質材料の組み合わせからなる群から選択される少なくとも1つの物質を含む。酸化剤として用いる正極活物質材料としては、例えば、LiNi複合酸化物、LiCo複合酸化物、LiNiCo複合酸化物、LiNiMn複合酸化物、LiNiCoAl複合酸化物、LiNiCoMn複合酸化物等から選択することができる。酸化剤は、回収対象であるNi及び/又はCoを含む酸化物であることが好ましい。回収された金属材料を、そのままニッケル金属水素化物電池用金属材料又は水素貯蔵用金属材料として使用する場合は、それぞれの用途上、汚染物質となるような成分を含まないことが好ましく、例えば酸化物中にNi、Co、Mn以外の金属を含まないことが好ましい。最も好ましい酸化剤はNiOである。Niは回収対象であるNiそのものであるので、NiOが還元されることにより、Niとして回収できるからである。本実施形態では、酸化剤としてNiOが用いられている。 The oxidizing agent includes at least one material selected from the group consisting of a combination of positive electrode active material materials that are NiO, CoO, Co2O3 , Co3O4 , NiMnCo composite oxide, NiMn composite oxide, MnCo composite oxide, NiCo composite oxide, and composite oxides containing Ni and/or Co. The positive electrode active material used as the oxidizing agent can be selected from, for example, LiNi composite oxide, LiCo composite oxide, LiNiCo composite oxide, LiNiMn composite oxide, LiNiCoAl composite oxide, LiNiCoMn composite oxide, etc. The oxidizing agent is preferably an oxide containing Ni and/or Co to be recovered. When the recovered metal material is used as a metal material for a nickel-metal hydride battery or a metal material for hydrogen storage, it is preferable that it does not contain components that could become contaminants for the respective applications. For example, it is preferable that the oxide does not contain metals other than Ni, Co, and Mn. The most preferred oxidizing agent is NiO. This is because Ni is the Ni to be recovered itself, and thus Ni can be recovered by reducing NiO. In this embodiment, NiO is used as the oxidizing agent.
正極に対する酸化剤の添加量は、活物質と還元剤としてのAlとの酸化還元反応後に残る余剰分の還元剤としてのAlが全て酸化される量を基本とする。余剰分の還元剤としてのAlが全て酸化される量の酸化剤を添加することにより、確実にPを酸化除去することができる。 The amount of oxidizing agent added to the positive electrode is based on the amount that will oxidize all of the excess Al remaining as a reducing agent after the redox reaction between the active material and Al as a reducing agent. By adding an amount of oxidizing agent that will oxidize all of the excess Al as a reducing agent, it is possible to reliably oxidize and remove P.
Pを酸化させるための酸化剤の添加量の下限としては、余剰分のAlが全て酸化される量までは必要とならない。これは、Pの酸化は回収金属中にAlが残っている状態でも、一部始まるためである。したがって、Pを酸化させるための酸化剤の添加量の下限は、以下の(式1)に示すAl回収率が3.0%以下、より好ましくは0.2%以下、更により好ましくは0.01%以下となる量である。
Al回収率(%)=(溶融後の金属Alの質量)/(溶融前の金属Alの質量)
・・・(式1)
ここで、金属Alとは、還元能力を持つAlのことであり、Al酸化物中のAlは含まない。また、特に断りのない限り、本明細書においては金属Alのことを単にAlと記す。また、正極活物質の還元に用いられるAlは、正極中のAl箔でも良いし、必要に応じ別途添加しても良い。なお、金属Alの質量は、例えばICP(Inductively Coupled Plasma)質量分析を行うことにより測定できる。
The lower limit of the amount of oxidizing agent to be added for oxidizing P does not need to be an amount that oxidizes all of the excess Al. This is because oxidation of P begins partially even when Al remains in the recovered metal. Therefore, the lower limit of the amount of oxidizing agent to be added for oxidizing P is an amount that results in an Al recovery rate of 3.0% or less, more preferably 0.2% or less, and even more preferably 0.01% or less, as shown in the following (Equation 1).
Al recovery rate (%) = (mass of metal Al after melting) / (mass of metal Al before melting)
...(Formula 1)
Here, metallic Al refers to Al having reducing ability and does not include Al in Al oxide. Unless otherwise specified, metallic Al will be referred to simply as Al in this specification. The Al used for reducing the positive electrode active material may be Al foil in the positive electrode, or may be added separately as needed. The mass of metallic Al can be measured, for example, by ICP (Inductively Coupled Plasma) mass spectrometry.
酸化剤を多く添加してもPの除去効果には影響を与えないので、酸化剤の添加量の上限は特に限定されない。しかしながら、酸化剤の添加量を多くし過ぎると、一部のCo及び/又はNiが酸化される場合があるとともに、酸化反応に寄与しない酸化剤の量が増える。したがって、酸化剤の添加量の上限は、活物質と還元剤としてのAlとの酸化還元反応後に残る余剰分の還元剤としてのAlが全て酸化される量に、余剰分のAlが全て酸化される量の25.0%の量、より好ましくは7.6%の量を加えた量である。酸化剤の添加量がこの量以下であれば、Ni及びCoの回収率は、前者で約80%以上、後者で90%以上と高い値を示す。なお、余剰分のAlが全て酸化される量とは、Al回収率(%)が0.01%以下となる量のことをいう。還元剤としては、Al箔に限定されず他の還元剤を用いても良い。また、還元剤の種類は、Alに限定されず、活物質中のNi及び/又はCoを含む金属複合酸化物を還元できるものであれば良い。還元剤の添加量はAlの場合と同様にして定められる。なお、還元剤回収率は、以下の(式2)により表される。
還元剤回収率(%)=(溶融後の還元剤の質量)/(溶融前の還元剤の質量)
・・・(式2)
Adding a large amount of oxidizing agent does not affect the P removal effect, so there is no particular upper limit to the amount of oxidizing agent added. However, adding too much oxidizing agent may oxidize some Co and/or Ni, and the amount of oxidizing agent that does not contribute to the oxidation reaction increases. Therefore, the upper limit of the amount of oxidizing agent added is the amount at which all of the excess Al remaining as reducing agent after the oxidation-reduction reaction between the active material and the Al as reducing agent is oxidized, plus 25.0%, more preferably 7.6%, of the amount at which all of the excess Al is oxidized. If the amount of oxidizing agent added is less than this amount, the recovery rates of Ni and Co are high, approximately 80% or more for the former and 90% or more for the latter. Note that the amount at which all of the excess Al is oxidized refers to an amount at which the Al recovery rate (%) is 0.01% or less. The reducing agent is not limited to Al foil, and other reducing agents may be used. Furthermore, the type of reducing agent is not limited to Al, as long as it can reduce the metal composite oxide containing Ni and/or Co in the active material. The amount of reducing agent added is determined in the same manner as in the case of Al. The reducing agent recovery rate is expressed by the following (Equation 2).
Reducing agent recovery rate (%) = (mass of reducing agent after melting) / (mass of reducing agent before melting)
...(Formula 2)
また、正極の質量を基準とした場合、正極に対する酸化剤の添加量の下限は、好ましくは50.0質量%であり、より好ましくは58.3質量%であり、更により好ましくは66.7質量%である。酸化剤の添加量が50.0質量%未満であると、Pの酸化除去が不十分となる。酸化剤の添加量が多いほど後述の金属材料中のP量(ppm)が低減される。金属材料中のP量は、酸化剤の添加量が50.0質量%以上で3500ppm以下となり、58.3質量%以上で3000ppm以下となり、66.7質量%以上で10ppm以下となる。酸化剤を多く添加してもPの除去効果には影響を与えないので、酸化剤の添加量の上限は特に限定されない。しかしながら、酸化剤の添加量を多くし過ぎると、一部のCo及び/又はNiが酸化される場合があるので、正極に対する酸化剤の添加量の上限は、好ましくは83.3質量%であり、より好ましくは71.7質量%である。Ni及びCoの回収率は、酸化剤の添加量が71.7質量%までは90%以上の高い値であり、添加量が71.7質量%を超えると回収率が減少傾向となるが、添加量が83.3質量%でも約80%と高い値が維持される。 Furthermore, based on the mass of the positive electrode, the lower limit of the amount of oxidizer added to the positive electrode is preferably 50.0 mass%, more preferably 58.3 mass%, and even more preferably 66.7 mass%. If the amount of oxidizer added is less than 50.0 mass%, the oxidation and removal of P will be insufficient. The greater the amount of oxidizer added, the lower the P content (ppm) in the metal material (described below). The P content in the metal material is 3500 ppm or less when the amount of oxidizer added is 50.0 mass% or more, 3000 ppm or less when the amount of oxidizer added is 58.3 mass% or more, and 10 ppm or less when the amount of oxidizer added is 66.7 mass% or more. Since adding a large amount of oxidizer does not affect the P removal effect, there is no particular upper limit to the amount of oxidizer added. However, if the amount of oxidizer added is too large, some Co and/or Ni may be oxidized. Therefore, the upper limit of the amount of oxidizer added to the positive electrode is preferably 83.3 mass%, more preferably 71.7 mass%. The recovery rates for Ni and Co are high, exceeding 90%, up to an oxidant addition amount of 71.7% by mass; once the amount exceeds 71.7% by mass, the recovery rates tend to decrease, but even at an addition amount of 83.3% by mass, a high value of approximately 80% is maintained.
[溶融工程]
溶融工程S12では、酸化剤が添加された正極を溶融して溶融物を得る。溶融工程S12について、正極活物質としてLiNixCoyMnzO2を用いた場合を例に説明する。溶融工程S12では、正極に含まれるAl箔が還元剤となり、以下のような反応が生じる。反応の結果、金属複合酸化物を構成する金属を含む金属材料として、Ni、Co及びMnを含有する合金(NixCoyMnz)が得られる。
LiNixCoyMnzO2+Al → 1/2Li2O+NixCoyMnz+1/2Al2O3
本実施形態では、正極に対し外部の加熱手段(例えば、高周波誘導溶解炉)から熱エネルギーを付与し、例えば1500℃で正極を溶融する。アルミナ(Al2O3)を溶融スラグ状態にするために、CaO等のフラックスを添加しても良い。
[Melting process]
In the melting step S12, the positive electrode to which the oxidizing agent has been added is melted to obtain a molten material. The melting step S12 will be described using an example in which LiNi x Co y Mn z O 2 is used as the positive electrode active material. In the melting step S12, the Al foil contained in the positive electrode acts as a reducing agent, and the following reaction occurs. As a result of the reaction, an alloy containing Ni, Co, and Mn ( NixCo y Mn z ) is obtained as a metal material containing metals that constitute the metal composite oxide.
LiNix Co y Mn z O 2 +Al → 1/2Li 2 O+Ni x Co y Mn z +1/2Al 2 O 3
In this embodiment, thermal energy is applied to the positive electrode from an external heating means (e.g., a high-frequency induction melting furnace) to melt the positive electrode at, for example, 1500° C. A flux such as CaO may be added to turn alumina (Al 2 O 3 ) into a molten slag state.
正極活物質としてのリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物は、還元剤としてのAl箔により還元される。正極に含まれているPは、酸化剤としてのNiOにより酸化除去される。この結果、金属材料中のP量が低減した、Ni、Co及びMnを含有する合金を回収することができる。なお、Mnは、NiOにより一部酸化され、Ni及びCoよりも回収率が低くなる。 The lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide used as the positive electrode active material is reduced using Al foil as a reducing agent. The P contained in the positive electrode is oxidized and removed using NiO as an oxidizing agent. As a result, an alloy containing Ni, Co, and Mn can be recovered, with a reduced amount of P in the metal material. Note that Mn is partially oxidized by NiO, resulting in a lower recovery rate than Ni and Co.
[分離工程]
分離工程S13では、溶融メタルと溶融スラグが比重差により分離した後に冷却されることにより、Ni、Co、Mnを含む金属材料と、スラグとを分離する。回収される金属材料中のNiは、正極活物質としてのリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物及び酸化剤としてのNiOに由来する。金属材料中のCo及びMnは、正極活物質としてのリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物に由来する。
[Separation process]
In the separation step S13, the molten metal and molten slag are separated due to the difference in specific gravity and then cooled to separate the slag from the metallic material containing Ni, Co, and Mn. The Ni in the recovered metallic material originates from the lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide used as the positive electrode active material and NiO used as the oxidizer. The Co and Mn in the metallic material originate from the lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide used as the positive electrode active material.
2.作用及び効果
本実施形態に係る非水電解液二次電池の処理方法では、Ni及び/又はCoを含む酸化物を酸化剤として正極に添加し、酸化剤が添加された正極を溶融する。正極に含まれるPが酸化剤により酸化除去されるので、脱リン工程を不要とし、低コストで金属材料中のPを低減させることができる。酸化剤に含まれるNi及び/又はCoは、金属材料として回収することができる。
2. Function and Effect In the method for treating a nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, an oxide containing Ni and/or Co is added as an oxidizing agent to the positive electrode, and the positive electrode to which the oxidizing agent has been added is melted. Because the P contained in the positive electrode is oxidized and removed by the oxidizing agent, a dephosphorization step is not required, and the P content in the metal material can be reduced at low cost. The Ni and/or Co contained in the oxidizing agent can be recovered as the metal material.
正極に対する酸化剤の添加量を50.0質量%以上83.3質量%以下とすることにより、金属材料中のPをより確実に低減し、かつ、Ni及び/又はCoの回収率の低下を抑制することができる。酸化剤の添加量を66.7質量%以上とすることにより、金属材料中のP量を10ppm以下とできるので、回収された金属材料を、そのままニッケル金属水素化物電池用金属材料又は水素貯蔵用金属材料として使用できる。回収された金属材料のP量が650ppm以下であれば、回収された金属材料をそのままニッケル金属水素化物電池の電極材料として用いても電池特性に影響を与えないと考えられる。 By adding an oxidizer amount to the positive electrode of 50.0 mass% or more and 83.3 mass% or less, it is possible to more reliably reduce the P content in the metal material and prevent a decrease in the recovery rate of Ni and/or Co. By adding an oxidizer amount of 66.7 mass% or more, the P content in the metal material can be reduced to 10 ppm or less, allowing the recovered metal material to be used directly as a metal material for nickel metal hydride batteries or a metal material for hydrogen storage. If the P content in the recovered metal material is 650 ppm or less, it is believed that using the recovered metal material directly as an electrode material for nickel metal hydride batteries will not affect the battery characteristics.
3.実施例
以下に、本発明の効果を確認するために行った実験について説明する。
3. Examples Experiments conducted to confirm the effects of the present invention will be described below.
捲回型の電極体と非水電解液とがセル容器12に収容された使用済みの非水電解液二次電池を用意した。用意した非水電解液二次電池に含まれる正極と非水電解液の構成は以下の通りである。 A used nonaqueous electrolyte secondary battery was prepared, in which a wound electrode assembly and nonaqueous electrolyte were housed in a cell container 12. The positive electrode and nonaqueous electrolyte contained in the prepared nonaqueous electrolyte secondary battery had the following configurations:
<正極>
Al箔 厚さ15μm,20質量%
活物質(LiNi1/6Co2/3Mn1/6O2) 72~73質量%
バインダー(PVDF) 3~4質量%
導電材 4質量%
<非水電解液>
非水溶媒(DMC:EMC:PC) 質量比28:27:28
電解質(LiPF6) 1M
<Positive electrode>
Al foil, thickness 15 μm, 20 mass%
Active material (LiNi 1/6 Co 2/3 Mn 1/6 O 2 ) 72-73% by mass
Binder (PVDF) 3 to 4% by mass
Conductive material 4% by mass
<Nonaqueous electrolyte>
Non-aqueous solvent (DMC:EMC:PC) mass ratio 28:27:28
Electrolyte (LiPF 6 ) 1M
実験では、まず、用意した非水電解液二次電池を放電させ、セル容器12内を洗浄し、セル容器12を開封して取り出した捲回型の電極体を巻き戻してシュレッダーで切断することにより正極を準備した(準備工程S10)。 In the experiment, the prepared nonaqueous electrolyte secondary battery was first discharged, the inside of the cell container 12 was cleaned, the cell container 12 was opened, and the wound electrode assembly was removed and rewound and cut with a shredder to prepare the positive electrode (preparation step S10).
30gの正極と、所定量の酸化剤と、11.1gのCaO粉末とを、予め用意した袋に入れて振ることにより、正極に酸化剤とCaO粉末を添加した(添加工程S11)、酸化剤が添加された正極を実施例1~10とした。酸化剤としてNiO粉末を用いた。NiO粉末の添加量は、実施例1、2では10.0g、実施例3、4では15.0g、実施例5、6では17.5g、実施例7、8では20.0g、実施例9、10では25.0gとした。CaO粉末は、アルミナを溶融スラグ状態にするために添加した。また、30gの正極と、8.0gのCaO粉末とを、予め用意した袋に入れて振ることにより、正極にCaO粉末のみを添加した、酸化剤が添加されていない正極を比較例1、2とした。 30 g of positive electrode, a predetermined amount of oxidizer, and 11.1 g of CaO powder were placed in a pre-prepared bag and shaken to add the oxidizer and CaO powder to the positive electrode (addition step S11). The positive electrodes to which the oxidizer was added were designated Examples 1 to 10. NiO powder was used as the oxidizer. The amount of NiO powder added was 10.0 g in Examples 1 and 2, 15.0 g in Examples 3 and 4, 17.5 g in Examples 5 and 6, 20.0 g in Examples 7 and 8, and 25.0 g in Examples 9 and 10. The CaO powder was added to turn the alumina into a molten slag state. 30 g of positive electrode and 8.0 g of CaO powder were placed in a pre-prepared bag and shaken to add only CaO powder to the positive electrode. These positive electrodes to which no oxidizer was added were designated Comparative Examples 1 and 2.
実施例1~10の正極と比較例1、2の正極を溶融工程S12に供することにより実験を行った。 Experiments were conducted by subjecting the positive electrodes of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2 to melting step S12.
酸化剤としてのNiO粉末が添加された実施例1~10の正極を高周波誘導溶解炉に入れ、窒素(N2)ガスを流量5L/minで流しながら、炉内の温度を室温から1550℃まで昇温させ、20分間維持して実施例1~10の正極を溶融した。高周波誘導溶解炉は、実施例1~10の正極を充填するためのアルミナ坩堝と、アルミナ坩堝を収容するカーボン坩堝と、カーボン坩堝の外周に沿って設けられた高周波誘導コイルとにより構成した。炉内の温度を室温まで降温させた後、アルミナ坩堝を解体して金属材料を取り出した。 The positive electrodes of Examples 1 to 10, to which NiO powder was added as an oxidizer, were placed in a high-frequency induction melting furnace, and while nitrogen (N 2 ) gas was flowing at a flow rate of 5 L/min, the temperature inside the furnace was raised from room temperature to 1550°C and maintained for 20 minutes to melt the positive electrodes of Examples 1 to 10. The high-frequency induction melting furnace was composed of an alumina crucible for filling the positive electrodes of Examples 1 to 10, a carbon crucible for accommodating the alumina crucible, and a high-frequency induction coil provided around the outer periphery of the carbon crucible. After the temperature inside the furnace was lowered to room temperature, the alumina crucible was disassembled and the metal material was removed.
酸化剤が添加されていない比較例1、2の正極を高周波誘導溶解炉に入れ、炉内の空気を排出して真空状態とし、室温から300℃まで昇温させ、90分間維持した。その後、炉内にアルゴン(Ar)ガスを入れてArガス雰囲気とし、炉内の温度を1550℃まで昇温させ、20分間維持して比較例1、2の正極を溶融した。炉内の温度を室温まで降温させた後、アルミナ坩堝を解体して金属材料を取り出した。 The positive electrodes of Comparative Examples 1 and 2, which did not contain an oxidizing agent, were placed in a high-frequency induction melting furnace, the air inside the furnace was evacuated to create a vacuum, and the temperature was raised from room temperature to 300°C and maintained for 90 minutes. Argon (Ar) gas was then introduced into the furnace to create an Ar gas atmosphere, and the temperature inside the furnace was raised to 1550°C and maintained for 20 minutes to melt the positive electrodes of Comparative Examples 1 and 2. After the temperature inside the furnace was lowered to room temperature, the alumina crucible was disassembled and the metal material was removed.
実施例1~10の正極、及び比較例1、2の正極を溶融して得られた各金属材料の成分分析結果を図3に示す。図3は、NiO粉末の添加量に対するNi、Co、Mn、及びAlの回収率と金属材料中のP量を示すグラフである。図3は、NiO粉末の添加量(g)を横軸、Ni、Co、Mn、及びAlの回収率(%)を紙面左側の縦軸、金属材料中のP量(ppm)を紙面右側の縦軸とし、NiO粉末の添加量が同一の実施例における測定値(N=2)の平均値をプロットして作成した。なお、溶融する前の実施例1~10の正極中のP量は4500~10000ppm程度であった。Ni、Co、Mn、及びAlの各金属の回収率は、溶融後の各金属の質量を溶融前の各金属の質量で除して求めた。なお、Niの回収率については、溶融前の正極に含有されているNi量に、酸化剤として添加したNiO粉末中のNi量を加えた質量で、溶融後の各金属の質量を除した。溶融前の各金属の質量は、ICP(Inductively Coupled Plasma)質量分析を行うことにより測定した。なお、一部のサンプルについては溶融前の正極における正極活物質の質量%と正極活物質の組成に基づき計算して求めた。溶融後の各金属の質量及び金属材料中のP量もICP質量分析を行うことにより測定した。いずれのICP質量分析にも日立ハイテクサイエンス社製PS3520UVDDIIまたはSPS3520UVDDを用いた。 Figure 3 shows the results of component analysis of each metallic material obtained by melting the positive electrodes of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2. Figure 3 is a graph showing the recovery rates of Ni, Co, Mn, and Al and the amount of P in the metallic material versus the amount of NiO powder added. Figure 3 plots the average values of measurements (N=2) for examples with the same amount of NiO powder added, with the amount of NiO powder added (g) on the horizontal axis, the recovery rates (%) of Ni, Co, Mn, and Al on the vertical axis on the left side of the page, and the amount of P in the metallic material (ppm) on the vertical axis on the right side of the page. Note that the amount of P in the positive electrodes of Examples 1 to 10 before melting was approximately 4,500 to 10,000 ppm. The recovery rates of Ni, Co, Mn, and Al were calculated by dividing the mass of each metal after melting by the mass of each metal before melting. The Ni recovery rate was calculated by dividing the mass of each metal after melting by the sum of the amount of Ni contained in the positive electrode before melting and the amount of Ni in the NiO powder added as an oxidizer. The mass of each metal before melting was measured using ICP (Inductively Coupled Plasma) mass spectrometry. For some samples, the mass was calculated based on the mass percentage of the positive electrode active material in the positive electrode before melting and the composition of the positive electrode active material. The mass of each metal after melting and the amount of P in the metal material were also measured using ICP mass spectrometry. A Hitachi High-Tech Science PS3520UVDDII or SPS3520UVDD was used for all ICP mass spectrometry analyses.
図3より、酸化剤の添加量が多いほど、P量が低減できることが確認できた。酸化剤の添加量が10gを超えるまでは、Alの回収率が優位に減少するが、P量の減少は小さい。これに対し、酸化剤の添加量が10gを超えると、すなわちAlの回収率が8.0%未満になると、Alの回収率の減少は緩やかになる一方、P量は急激に減少し、15g以上(Al回収率1.6%以下)では3500ppm以下となり、17.5g以上(Al回収率0.2%以下)では3000ppm以下となり、20g以上(Al回収率0.01%以下)では10ppm以下となる。酸化剤が添加された正極を溶融することにより、正極に含まれるPを酸化除去できることが確認できた。Ni及びCoの回収率は、酸化剤の添加量が20g(Al回収率0.01%以下)までは、90%以上の高い値となった。Ni及びCoの回収率は、酸化剤の添加量が20gを超えると減少傾向となった。Ni及びCoの一部が酸化されたため、及び酸化反応に寄与しない酸化剤(NiO粉末)の量が増加したためであると考えられる。ただし、酸化剤の添加量が25gでも、Ni及びCoの回収率は約80%と高い値を維持した。なお、Alの回収率は酸化剤を20g添加した段階で0.01%以下となっており、この時点で余剰分のAlが全て酸化されたと考えられる。すなわち、酸化剤の添加量25gは、余剰分のAlが全て酸化される量20gに、余剰分のAlが全て酸化される量の25%である5gを加えた量である。また、酸化剤の添加量を多くするとともに、Mnの回収率の低下が見られた。Mnの回収率は、P量の減少と似た挙動を示し、酸化剤の添加量が10gを超えると急激に減少している。エリンガム図に示された酸化のし易さは、Al、Mn、P、Co、Niの順である。溶融工程S12において、酸化されていないAl及びMnが残っている状態でもPの酸化除去が始まり、Al及びMnが十分に酸化除去された後にP量も十分低減される挙動が見て取れる。 Figure 3 confirms that the P content can be reduced with increasing oxidizer addition amounts. Up to 10 g of oxidizer addition, the Al recovery rate decreases significantly, but the decrease in P content is small. In contrast, when the oxidizer addition amount exceeds 10 g, i.e., when the Al recovery rate falls below 8.0%, the decrease in Al recovery rate slows down, while the P content decreases rapidly. At 15 g or more (Al recovery rate of 1.6% or less), the P content is below 3500 ppm, at 17.5 g or more (Al recovery rate of 0.2% or less), it is below 3000 ppm, and at 20 g or more (Al recovery rate of 0.01% or less), it is below 10 ppm. It was confirmed that melting the positive electrode to which oxidizer had been added can oxidize and remove the P contained in the positive electrode. The Ni and Co recovery rates remained high, exceeding 90%, up to 20 g of oxidizer addition (Al recovery rate of 0.01% or less). The recovery rates of Ni and Co tended to decrease when the amount of oxidizing agent added exceeded 20 g. This is thought to be due to the partial oxidation of Ni and Co and the increase in the amount of oxidizing agent (NiO powder) that did not contribute to the oxidation reaction. However, even when the amount of oxidizing agent added was 25 g, the recovery rates of Ni and Co remained high at approximately 80%. The recovery rate of Al was below 0.01% when 20 g of oxidizing agent was added, which suggests that all of the excess Al had been oxidized at this point. In other words, the amount of oxidizing agent added of 25 g is the amount required to completely oxidize the excess Al (20 g) plus 5 g, which is 25% of the amount required to completely oxidize the excess Al. Furthermore, the recovery rate of Mn decreased with increasing the amount of oxidizing agent added. The recovery rate of Mn exhibited a similar behavior to the decrease in the amount of P, decreasing rapidly when the amount of oxidizing agent added exceeded 10 g. The order of ease of oxidation shown in the Ellingham diagram is Al, Mn, P, Co, and Ni. In the melting process S12, oxidation removal of P begins even when unoxidized Al and Mn remain, and it can be seen that once the Al and Mn have been sufficiently oxidized and removed, the amount of P is also sufficiently reduced.
アルミナ坩堝を解体して金属材料を取り出した際に、NiO粉末の添加量が多いほど、スラグの表面の色が黒ずんでいることが確認できた。NiO粉末の添加量の増加に伴い、スラグの表面におけるMnO2の析出が進行したと考えられる。 When the alumina crucible was disassembled and the metal material was removed, it was confirmed that the color of the slag surface became darker as the amount of NiO powder added increased. It is believed that the precipitation of MnO2 on the slag surface progressed as the amount of NiO powder added increased.
以上より、酸化剤の添加量を15g(50.0質量%)以上25g(83.3質量%)以下とすることで、金属材料中のP量を3500~10ppmと低減しつつ、Ni及びCoの回収率が80%以上となることが確認できた。酸化剤の添加量を17.5g(58.3質量%)以上20g(66.7質量%)以下とすることで、金属材料中のP量を3000~10ppmとより低減でき、Ni及びCoの回収率を95%以上と向上できた。酸化剤の添加量を20g(66.7質量%)以上25g(83.3質量%)以下とすることで、Ni及びCoの回収率を低下させることなく、金属材料中のP量を10ppm以下とでき、十分に脱リンできた。 From the above, it was confirmed that by adding an oxidizing agent amount of 15g (50.0 mass%) to 25g (83.3 mass%), the amount of P in the metal material could be reduced to 3500-10 ppm while achieving a Ni and Co recovery rate of 80% or more. By adding an oxidizing agent amount of 17.5g (58.3 mass%) to 20g (66.7 mass%), the amount of P in the metal material could be further reduced to 3000-10 ppm, improving the Ni and Co recovery rate to 95% or more. By adding an oxidizing agent amount of 20g (66.7 mass%) to 25g (83.3 mass%), the amount of P in the metal material could be reduced to 10 ppm or less without reducing the Ni and Co recovery rate, achieving sufficient dephosphorization.
上記の実験ではカーボン坩堝を使用しているのでN2ガスを流しながら正極の溶融を行ったが、酸素と反応しにくい材質(例えばアルミナ)のみで構成された坩堝を使用する場合は、大気雰囲気で正極の溶融を行っても良い。 In the above experiment, a carbon crucible was used, and the positive electrode was melted while flowing N2 gas. However, if a crucible made only of a material that does not easily react with oxygen (e.g., alumina) is used, the positive electrode may be melted in an air atmosphere.
4.変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
4. Modifications The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate within the scope of the spirit of the present invention.
溶融工程S12は、上記実施形態では外部の加熱手段を用いて正極を溶融したが、箔と活物質との反応熱により正極を溶融しても良い。「箔と活物質との反応」とは、金属Alである正極集電体と金属酸化物である正極活物質との混合物を反応させた際に、金属Alにより金属酸化物を還元しながら高熱を発生する酸化還元反応であり、テルミット反応とも言う。正極は、箔と活物質との反応熱によって自己発熱する。「自己発熱」とは、正極に対し外部の加熱手段(例えば、高周波誘導溶解炉)から熱エネルギーが付与されなくても、箔と活物質との反応熱によって自己の温度が上昇することを意味する。 In the melting step S12, the positive electrode is melted using an external heating means in the above embodiment. However, the positive electrode may also be melted by the heat of reaction between the foil and the active material. The "reaction between the foil and the active material" refers to an oxidation-reduction reaction, also known as a thermite reaction, in which a mixture of a positive electrode current collector (metallic Al) and a positive electrode active material (metal oxide) is reacted, generating high heat while reducing the metal oxide with metallic Al. The positive electrode generates self-heat due to the heat of reaction between the foil and the active material. "Self-heating" means that the temperature of the positive electrode increases due to the heat of reaction between the foil and the active material, even when no thermal energy is applied to the positive electrode from an external heating means (e.g., a high-frequency induction melting furnace).
テルミット反応は、大きな発熱を伴う反応であるため、反応が持続する温度に到達した後は自己発熱(反応熱)により反応が進む。テルミット反応を励起させる方法としては、例えば、坩堝に正極を入れ、着火するテルミット法がある。基本的に、この着火だけでテルミット反応が進み、金属複合酸化物を構成する金属を含む金属材料を得ることができる。なお、テルミット法においては、必要に応じ適宜助燃剤を用いることもできる。あるいは、アーク溶解や高周波誘導溶解炉等の外部から高温の熱を与える装置を用いる方法もあり、この場合は、自己発熱(反応熱)により正極が溶融するとともに、アーク溶解や高周波誘導溶解等の熱によっても正極が溶融する。 The thermite reaction is a highly exothermic reaction, and once it reaches a temperature where the reaction can continue, it proceeds due to self-heating (heat of reaction). One method of exciting the thermite reaction is the thermite method, in which a positive electrode is placed in a crucible and ignited. Essentially, the thermite reaction proceeds through this ignition alone, yielding a metallic material containing the metals that make up the metal composite oxide. The thermite method can also use a combustion enhancer as needed. Alternatively, there are methods that use equipment that applies high-temperature heat from an external source, such as an arc melting or high-frequency induction melting furnace. In this case, the positive electrode melts due to self-heating (heat of reaction), and also due to the heat from the arc melting or high-frequency induction melting.
非水電解液二次電池10の正極の処理方法としては、準備工程S10、添加工程S11、溶融工程S12、及び分離工程S13に加え、正極を加熱する加熱処理を行う加熱工程を更に有するものでも良い。加熱工程は、準備工程S10と添加工程S11との間、又は添加工程S11と溶融工程S12との間に行う。 The method for treating the positive electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery 10 may further include a heating step in which the positive electrode is heated, in addition to the preparation step S10, addition step S11, melting step S12, and separation step S13. The heating step is performed between the preparation step S10 and addition step S11, or between the addition step S11 and melting step S12.
加熱処理について説明する。加熱処理に用いる加熱装置は、加熱炉、加熱部、温度計、ガス供給部、流量計、及び制御部を有する。加熱炉は、正極を収容するための内部空間を有する。加熱部は、加熱炉内に配置された正極を加熱する。温度計は、加熱炉内の温度を測定する。ガス供給部は、加熱炉内に酸素を含むガス(この例では空気)を供給し、加熱炉内を、酸素を含む雰囲気とする。流量計は、加熱炉内の空気の流量を測定する。制御部は、温度計の測定結果に基づき加熱部を制御し、加熱炉内を所定の昇温速度で昇温させ、予め設定された加熱温度に制御する。制御部は、流量計の測定結果に基づきガス供給部を制御し、加熱炉内に供給する空気の流量を制御する。制御部は、加熱温度及び流量が所定の時間維持されるように、加熱部とガス供給部とを制御する。加熱温度及び流量を維持する時間を「キープ時間」と言う。なお、上記の加熱装置は一例である。このため、加熱装置の構成は、上記の構成に限定されず、適宜設計することができる。例えば、ロータリーキルン等を用いれば、加熱処理を連続的に行うことができる。 The heating process will now be described. The heating device used for the heating process includes a heating furnace, a heating unit, a thermometer, a gas supply unit, a flow meter, and a control unit. The heating furnace has an internal space for accommodating a positive electrode. The heating unit heats the positive electrode placed in the heating furnace. The thermometer measures the temperature inside the heating furnace. The gas supply unit supplies an oxygen-containing gas (air in this example) into the heating furnace, creating an oxygen-containing atmosphere inside the heating furnace. The flow meter measures the air flow rate inside the heating furnace. The control unit controls the heating unit based on the measurement results of the thermometer, raising the temperature inside the heating furnace at a predetermined heating rate and controlling it to a preset heating temperature. The control unit controls the gas supply unit based on the measurement results of the flow meter, controlling the flow rate of air supplied into the heating furnace. The control unit controls the heating unit and gas supply unit so that the heating temperature and flow rate are maintained for a predetermined period of time. The time during which the heating temperature and flow rate are maintained is referred to as the "maintenance time." Note that the above heating device is an example. Therefore, the configuration of the heating device is not limited to the above configuration and can be designed as appropriate. For example, if a rotary kiln is used, the heat treatment can be carried out continuously.
加熱処理の手順を説明する。まず、シート状の正極を耐熱性の容器に配置する。次に、加熱装置を作動し、加熱炉内を昇温させ、予め設定された加熱温度とする。正極が配置された容器を加熱炉内に設置し、加熱炉内に空気を所定の流量で供給する。予め設定されたキープ時間が経過するまで、加熱温度及び流量を維持する。なお、加熱装置を作動させる前に、正極が配置された容器を加熱炉内に設置しても良い。 The heating process procedure will be explained below. First, a sheet-shaped positive electrode is placed in a heat-resistant container. Next, the heating device is activated, raising the temperature inside the heating furnace until it reaches a preset heating temperature. The container with the positive electrode placed inside the heating furnace is placed inside the heating furnace, and air is supplied into the heating furnace at a specified flow rate. The heating temperature and flow rate are maintained until a preset hold time has elapsed. Note that the container with the positive electrode placed inside the heating furnace may also be placed before the heating device is activated.
加熱処理は、箔が酸化しない温度で加熱を行うことが好ましい。加熱温度が高すぎると、正極集電体としてのAl箔が酸化する。酸化したAl箔は、溶融工程S12において、還元剤として使用することができない。 The heat treatment is preferably carried out at a temperature that does not oxidize the foil. If the heating temperature is too high, the Al foil serving as the positive electrode current collector will oxidize. Oxidized Al foil cannot be used as a reducing agent in the melting step S12.
加熱処理は、バインダーを分解する温度で行うことが好ましい。加熱温度が低すぎると、バインダーの分解が不十分となり、正極にバインダーが残留する。バインダーが残留した正極が溶融工程S12に供された場合、溶融工程S12において、バインダーの熱分解及びその後の酸化によりH2O、CO2やCO等の水素や炭素の酸化物のガスが発生し、還元反応が阻害される。還元反応を阻害するガスを反応阻害ガスと称する。また、発生したガスが急激に膨張して炉が破損する場合があり、危険である。バインダーを分解する温度で加熱処理を行うことにより、バインダーが除去された正極を溶融工程S12に供することができる。また、加熱処理は、導電材を酸化除去する温度で行うことが好ましい。 The heat treatment is preferably performed at a temperature at which the binder is decomposed. If the heating temperature is too low, the binder will not be decomposed sufficiently, and the binder will remain in the positive electrode. If a positive electrode with a remaining binder is subjected to the melting step S12, the thermal decomposition of the binder and subsequent oxidation in the melting step S12 will generate gases of hydrogen and carbon oxides such as H2O , CO2 , and CO, inhibiting the reduction reaction. Gases that inhibit the reduction reaction are called reaction-inhibiting gases. In addition, the generated gases may suddenly expand, damaging the furnace and causing danger. By performing the heat treatment at a temperature at which the binder is decomposed, a positive electrode from which the binder has been removed can be subjected to the melting step S12. In addition, the heat treatment is preferably performed at a temperature at which the conductive material is oxidized and removed.
加熱処理は、400℃以上650℃以下で加熱を行うことが好ましい。加熱温度を400℃以上650℃以下とすることにより、バインダーが確実に分解され、かつ、Al箔の酸化が抑制される。また、加熱温度が高すぎると、正極集電体のAlが還元剤となって意図せぬ還元反応が起きる場合があり、危険である。加熱処理は、より好ましくは450℃以上600℃以下であり、更により好ましくは500℃以上600℃未満である。 Heat treatment is preferably carried out at a temperature of 400°C or higher and 650°C or lower. By setting the heating temperature to 400°C or higher and 650°C or lower, the binder is reliably decomposed and oxidation of the Al foil is suppressed. However, if the heating temperature is too high, the Al in the positive electrode current collector may act as a reducing agent, causing an unintended reduction reaction, which is dangerous. Heat treatment is more preferably carried out at a temperature of 450°C or higher and 600°C or lower, and even more preferably at a temperature of 500°C or higher and lower than 600°C.
加熱工程において、箔が酸化しない温度で加熱を行うことにより、Al箔の表面におけるアルミナの生成が抑制されるので、溶融工程S12における還元反応(テルミット反応)が促進される。 In the heating process, heating is performed at a temperature that does not oxidize the foil, which suppresses the formation of alumina on the surface of the Al foil and promotes the reduction reaction (thermit reaction) in the melting process S12.
加熱工程において、バインダーを分解する温度で加熱を行うことにより、溶融工程S12の段階での反応阻害ガスの発生が抑制され、還元反応(テルミット反応)が促進される。 By heating the material in the heating step at a temperature that decomposes the binder, the generation of reaction-inhibiting gases during the melting step S12 is suppressed and the reduction reaction (thermit reaction) is promoted.
加熱工程において、400℃以上650℃以下で加熱を行うことにより、加熱処理中のテルミット反応の発生が抑制され、安全性が向上する。加熱処理によりバインダーと導電材とが除去され、溶融工程S12の段階での反応阻害ガスの発生が抑制される。このため、溶融工程S12における還元反応(テルミット反応)が促進される。 By heating the material at a temperature between 400°C and 650°C inclusive during the heating process, the occurrence of a thermite reaction during the heating process is suppressed, improving safety. The heating process removes the binder and conductive material, suppressing the generation of reaction-inhibiting gases during the melting process S12. This promotes the reduction reaction (thermit reaction) during the melting process S12.
上記実施形態では還元剤として正極集電体のAl箔を用いたが、還元剤として例えばAl粉末を添加しても良い。 In the above embodiment, the positive electrode current collector's Al foil was used as the reducing agent, but Al powder, for example, may also be added as the reducing agent.
本発明は、非水電解液二次電池の正極の処理方法に限定されることなく、金属複合酸化物中の有価金属よりも酸化され易い不純物を除去して、有価金属を含む金属複合酸化物から有価金属を回収する際に広く適用できる技術である。例えば、一次電池でも良く、鉱物資源における鉱石でも良い。また、不純物もリン(P)に限定されることなく、金属複合酸化物中の有価金属よりも酸化され易いものであればいずれの不純物でも良い。本発明を用いることにより、P等の不純物を除去した有価金属の回収が可能となる。すなわち、本発明に係る金属複合酸化物からの有価金属の回収方法は、有価金属を含む金属複合酸化物からの有価金属の回収方法であって、前記金属複合酸化物に、前記金属複合酸化物中の前記有価金属を還元する還元剤を添加する還元剤添加工程と、前記還元剤が添加された前記金属複合酸化物に、有価金属を含む酸化物を酸化剤として添加する酸化剤添加工程と、前記還元剤及び前記酸化剤が添加された前記金属複合酸化物を溶融することにより、前記金属複合酸化物中の前記有価金属を還元するとともに、前記金属複合酸化物に含まれる不純物を酸化して、有価金属と酸化物とを含む溶融物を得る溶融工程と、前記溶融物から前記酸化物を分離し、前記有価金属を得る分離工程とを有することにより、低コストで、金属複合酸化物から不純物を低減した有価金属を回収することが可能となる。 The present invention is not limited to methods for treating the positive electrodes of nonaqueous electrolyte secondary batteries, but is a technology that can be widely applied to removing impurities that are more easily oxidized than the valuable metals in a metal composite oxide and recovering valuable metals from the metal composite oxide containing the valuable metals. For example, it may be applied to primary batteries or ores in mineral resources. Furthermore, the impurities are not limited to phosphorus (P), and any impurity that is more easily oxidized than the valuable metals in the metal composite oxide may be used. By using the present invention, it is possible to recover valuable metals from which impurities such as P have been removed. That is, the method for recovering valuable metals from a metal composite oxide according to the present invention is a method for recovering valuable metals from a metal composite oxide containing valuable metals, and includes the following steps: a reducing agent addition step of adding a reducing agent to the metal composite oxide that reduces the valuable metal in the metal composite oxide; an oxidizing agent addition step of adding an oxide containing a valuable metal as an oxidizing agent to the metal composite oxide to which the reducing agent has been added; a melting step of melting the metal composite oxide to which the reducing agent and oxidizing agent have been added to reduce the valuable metal in the metal composite oxide and oxidize the impurities contained in the metal composite oxide to obtain a molten material containing the valuable metal and the oxide; and a separation step of separating the oxide from the molten material to obtain the valuable metal, thereby making it possible to recover valuable metals with reduced impurities from metal composite oxides at low cost.
10 非水電解液二次電池
S10 準備工程
S11 添加工程
S12 溶融工程
S13 分離工程
10 Nonaqueous electrolyte secondary battery S10 Preparation process S11 Addition process S12 Melting process S13 Separation process
Claims (5)
前記正極に、Ni及び/又はCoを含む酸化物を酸化剤として添加する添加工程と、
前記酸化剤が添加された前記正極を溶融することにより、前記正極に含まれるPを酸化除去し、Ni及び/又はCoを含む金属材料を得る溶融工程と
を有し、
前記酸化剤の添加量は、下記式1で表されるAl回収率が3.0%以下となる量である非水電解液二次電池の正極の処理方法。
[式1]
Al回収率(%)=(溶融後の金属Alの質量)/(溶融前の金属Alの質量) A method for treating a positive electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode having an Al-containing foil and an active material as a metal composite oxide containing Ni and/or Co, comprising:
an addition step of adding an oxide containing Ni and/or Co as an oxidizing agent to the positive electrode;
a melting step of melting the positive electrode to which the oxidizing agent has been added to oxidize and remove P contained in the positive electrode, thereby obtaining a metal material containing Ni and/or Co ,
The method for treating a positive electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery , wherein the amount of the oxidizing agent added is an amount such that the Al recovery rate, represented by the following formula 1, is 3.0% or less .
[Formula 1]
Al recovery rate (%) = (mass of metal Al after melting) / (mass of metal Al before melting)
前記正極に、Ni及び/又はCoを含む酸化物を酸化剤として添加する添加工程と、
前記酸化剤が添加された前記正極を溶融することにより、前記正極に含まれるPを酸化除去し、Ni及び/又はCoを含む金属材料を得る溶融工程と
を有し、
前記正極に対する前記酸化剤の添加量は、50.0質量%以上83.3質量%以下である非水電解液二次電池の正極の処理方法。 A method for treating a positive electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode having an Al-containing foil and an active material as a metal composite oxide containing Ni and/or Co, comprising:
an addition step of adding an oxide containing Ni and/or Co as an oxidizing agent to the positive electrode;
a melting step of melting the positive electrode to which the oxidizing agent has been added to oxidize and remove P contained in the positive electrode, thereby obtaining a metal material containing Ni and/or Co;
and
The method for treating a positive electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery, wherein the amount of the oxidizing agent added to the positive electrode is 50.0 mass % or more and 83.3 mass % or less.
前記非水電解液は、前記Pを含有する電解質を有する請求項1~3のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池の正極の処理方法。 The nonaqueous electrolyte secondary battery further comprises a nonaqueous electrolyte,
4. The method for treating a positive electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 , wherein the nonaqueous electrolyte contains an electrolyte containing P.
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