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

Aug 13, 2023

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・リュー氏は、「バッテリーのリサイクルが必須となるところまで来ている」と述べた。 「燃やしてゴミに捨てるのをやめなければ、今後10年以内に資源は枯渇してしまいます。 そうしないと、市場が要求するバッテリーの数に追いつくことが不可能になります。 「コバルトもニッケルも足りないのです。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。