電気自動車用リチウムイオン電池のリサイクルに関するクイック・ガイド

現状の電気自動車に不可欠なリチウムイオン電池にはコバルトなどの鉱物が使われており、採掘などの過程に様々な問題も抱えています。持続可能な電池産業を構築するには、リサイクルを取り入れた循環システムが必要です。事態を憂慮するアメリカの科学者同盟(Union of Concerned Scientists)のウェブサイトに、電池リサイクルの現状と展望に関する記事が掲載されました。全文翻訳でお届けします。

電気自動車用リチウムイオン電池のリサイクルに関するクイック・ガイド

元記事:A Quick Guide to Battery Reuse and Recycling by Hanjiro Ambrose on 『Union of Concerned Scientists

リチウムイオン電池再利用システムの重要性

キックボード、バイク、スポーツカー、スクールバス、トラック、電車、飛行機まで、私達は電動化された交通機関の時代に突入しているようです。これは主に、急激に価格が下がり、パフォーマンスが改善しているリチウムイオンバッテリーによるところが大きいでしょう。より質の良いバッテリーのおかげで、小型から重量級まで幅広い車種のテクノロジーが実現可能になっています。使用されるリチウムイオンバッテリーが増えるにつれ、使用済みになるバッテリーの数も増えるのは避けられません。専門家は、2030年までに年間50万台の車両、もしくは200万トンのバッテリーが役目を終えることになると予測しています。

電気自動車(EV)が自動車市場を占める割合はまだ少ないため、リサイクルのパイロット版に使われるバッテリーの数は少なく、残りはリサイクル用の技術やインフラが改善されるまで保存されています。歴史的に家電ゴミはごみ廃棄場に送られてきましたが、リチウムイオン電池は貴重なメタル等の原料を使用しており、さらにこの原料は取り出して加工し、またバッテリーを作るのに再利用できます。

リチウムイオン電池の構造。正極(CATHODE=カソード)の材料としてコバルトやニッケルなどのレアメタルが使われることが多い。

リチウムイオンバッテリーのリサイクルには、多くの確立された方法がありますが、同時に解決すべき課題が技術、経済、物流、規制などの分野で存在します。Union of Concerned Scientists の Hitz環境部門メンバーとして、これからのバッテリーの再利用に関する課題と機会について見ていきたいと思います。この記事はバッテリーリサイクルの現状をざっと大局的に見た内容で、バッテリー用原料の循環構造を作り、リチウムイオン電池の持続可能な価値連鎖を構築する部分にフォーカスしたものとなります。

バッテリーの寿命は?

電気自動車が事故であれ寿命であれ走れなくなった際には、バッテリーの処理が必要になります。車両での役目が終わった後、EV用バッテリーの余生は他のEVでの再利用、EV以外への再利用(セカンドライフ)、原料の回収(リサイクル)、廃棄という道に分かれます。バッテリーは途中で再利用されるかに関係なく、最終的にはすべてリサイクルもしくは廃棄されます。不適切なゴミ廃棄に起因する環境への悪影響を減らすことや、原料の回収と未加工の原料からの恩恵を受けるためには、リサイクルの機会やその障壁を理解することが不可欠になります。

現在、ひと握りの大規模な施設が高温冶金法や製錬法でリチウムイオン電池のリサイクルを行っています。これらの施設では高温(~1,500℃)で不純物を燃やし、コバルト、ニッケル、銅を取り出します。リチウムやアルミニウムは通常この過程で失われ、スラグと呼ばれる屑物に取り込まれます。リチウムはある程度、再処理を施されて回収できます。しかし現在の製錬設備は高価でエネルギー消費も非常に大きく、有毒なフッ素排出物を処理する必要もあって、原料回収率は比較的低い水準に止まっています。

米国先進バッテリー協会によると、EVバッテリーはセル容量が定格容量の80%以下になった際に寿命を迎えます。しかしEVバッテリーがいつ引退するかについては、知られていない部分が多くあります。例えば、アメリカでは車は平均12年以上走りますが、大きなリチウムイオンバッテリーパックを積んだ現代のEVは市場に出てから8年以下であり、そのうち半分以上が過去2年間に買われたものです。

バッテリーのセカンドライフ

使用済みバッテリーにセカンドライフを与えるのは、バッテリーメーカーと車両メーカーがEVをより買いやすい価格にし、利益を増やす可能性を広げるための魅力的なチャンスです。再利用によりバッテリーの寿命も延びることになり、一カ所に固定されたバッテリーを他の場所に移動(させて再利用)することもでき、バッテリー生産で出る悪影響を全体で減らすことになります。

場合によっては、バッテリーは他の車両ですぐ使うように再生され、多くの自動車システムの需要を延ばします。よって、バッテリーパックが通常より早く寿命を迎えた際には、まだ機能しているモジュールとセルが再度組み合わされて再生バッテリーパックが作られ、他の車両に利用されます。

カリフォルニア大学デービス校にある、300kWhのセカンドライフEVバッテリー蓄電プロジェクト

現代の車両用バッテリーはサイズが大きくハイ・パフォーマンスなため、車での利用からは引退しても、かなりの容量を提供できます。バッテリーは充電、放電を繰り返すことにより劣化します。劣化とは、車両に送るために溜められるエネルギー量が減るということで、言い換えると、車が一度の充電で前と同じ距離を走れなくなるということです。しかし車両用に比べて求められる容量が少ないものに使用すれば、EVバッテリーはセカンドライフを獲得できます。EVは高い電力を必要とするため、溜めた電気はアクセス不可能になるのですが、低出力で固定された形態を取れば、太陽光パネルからのエネルギーを溜めてオフグリッドもしくはピーク時の需要を減らすという使い方をし、6~10年寿命を延ばすことができます。

新しいバッテリーは経済的にもパフォーマンス的にもコンスタントに改善され、それがバッテリー再利用の妨げとなってきました。新しいバッテリーの価格が、パフォーマンスが良くなるほど下がり、使用目的によっては中古のバッテリーよりも安かったからです。現在のバッテリーパックの構造デザインとプロプライエタリ・ソフトウェアも部品の交換に制限を加え、テストと再利用のコストを上げてしまいます。

循環サイクルの構築

バッテリーが再利用されるかに関わらず、最終的にリサイクルと原料回収は必要になります。 リチウムイオンバッテリーの原料を回収することにより、新しい原料への需要やバッテリーのライフサイクル由縁の(環境への)影響が減り、輸入を減らすことによってエネルギーの安全保障を改善できます。ほとんどのリサイクルに関する研究や関心は、構成物の中で最も価値のある鉱物を含む、バッテリーの正極に集中しています。

一般的にバッテリーのリサイクルには3つのステージがあります。まず第1に下処理ですが、メカニカルシュレッディングをし、プラスチック片と鉄を含まない原料を仕分けるのがメインになります。次に化学溶剤を使ってアルミのコレクタフォイルから正極を分離します。最後に浸出用の水溶液を使う(湿式製錬)か、熱と電解反応を使って(乾式製錬)、正極の原料を分解します。

バッテリーを構成するパーツに素早く分解できるようになれば、下処理がより効率的で経済的になるため、オートメーション化が重要な役割を果たすでしょう。バッテリーの構成パーツを仕分けできれば、さらに純度や価値が高い原料を回収できます。イギリスの研究者は、リチウムイオンバッテリーのロボットによる仕分け、分解、貴重資源の回収プロセスを開発中で、これは作業員の電気及び化学傷害のリスクを無くすことに繋がります。

正極原料を回収するための乾式製錬プロセスは、一部の湿式洗練法よりも大きな悪影響を環境や気候に与えます。要求されるエネルギー量の多さと、排出ガスの有毒汚染物質を取り除く必要性からです。いずれかの製錬方法で回収された鉱物は、新しい電極の正極化合物に合成される前に、しばしば再度精製される必要が出てきます。

ダイレクト・リサイクル法では、正極の原料を元の化合物と同じか、似た性質を持つものを使い、化合物は分解されずに使用可能な状態に戻されます。バッテリーの中で最も価値の高い構成物の1つが、合成正極物質になります。ダイレクト・リサイクルでは化合物をそのまま分離し、追加のリチウムと再結合させる(relithiation)方法を模索しています。またこの方法は、大量にエネルギーを必要とする正極化合物の精製と再合成の過程をなくし、バッテリー生産による環境への悪影響を減らすことにも繋がります。

大切な鉱物の回収

リチウムイオン電池は、主に回収して新しいバッテリーに使える稀少鉱物で構成されており、生産コストを低くできます。現在のリチウムイオン電池のほぼ半分は、鉱物のコストになります。バッテリー正極に使われる、最も高価な原料トップ3(コバルト、ニッケル、リチウム)のコストはかなり変動しやすく、1年で300%も上下します。それでも過去10年で電気自動車用バッテリーの価格はトータルで90%以上値下がりしました。さらに稀少鉱物のリサイクルと回収は、ごみ処理場行きになる原料の量を減らすことにもなります。

バッテリー正極の遷移金属の作り方により、エネルギー密度、電力密度、サイクル寿命、安全性、コストなど、バッテリーの特性が変わってきます。さらに正極化合物の選択も、リサイクル経済に影響を与えます。回収された原料の価値が、リサイクル過程にかかる高いコストをカバーするのに十分ではないかもしれないからです。正極用合金の中でも、コバルトは最も高価な物質になります。生産コストが下がるのでバッテリー技術界ではコバルトの分量を減らすのがトレンドになっていますが、そのせいでリサイクルへのモチベーションも同時に減らされています。

モロッコにあるコバルトの採掘場

リサイクルにより、新しい採掘を減らし、原料の枯渇を遅らせ、バッテリーのバリューチェーンに関わる弱い人々への悪影響を減らすことができます。例えば、世界で供給されるコバルトの60%がコンゴ共和国からきていますが、武力紛争、違法採掘、人権侵害、環境破壊などの問題が付随して起きています。バッテリーをリサイクルして、コバルト濃度を減らした正極を再構築すれば、外国からのソースへの依存を減らし、サプライチェーンの安全性を高めるのに役立ちます。

リサイクルされたバッテリーから取り出された原料は、将来のバッテリー産業にとって重要で環境的にも好ましいソースとなるでしょう。使う原料の内容とその価値のバランスがとれていれば、最適化された正極のリサイクルが利益を生む潜在性を有しているという研究もあります。恐らくさらに重要なのは、リサイクルは未加工の原料から正極化合物を生産するよりもコスト競争力を持ち、環境を鑑みてもより好ましいという点になります。

持続可能なバッテリーのための政策

安全で公正な廃棄方法を模索するのには明確な理由があります。家電ゴミの地球上の動きからの影響は、教訓をもたらしてくれます。回収、ロジスティクス、データシェアリング、標準化、インフラ投資はすべて、バッテリー生産とリサイクルの持続可能な循環システムの妨げになり得るのです。

EV用バッテリーをリサイクルすることにより資源を循環させることは、より良いバッテリーを作るために不可欠なステップです。カリフォルニアでは、州内で売られる電気自動車用バッテリーがすべて必ずリサイクル、もしくは一度寿命を迎えてから再利用されるようにする政策が作られようとしています。ラベリングやデータ用インターフェースの基準、製造者責任の拡大、責任ある調達、コアチャージなどが、上に挙げた主な障壁を軽減するのに役立ちます。

バッテリー原料の二次生産を含む、EV用バッテリーの国内サプライチェーンを築くことは、経済、環境、社会に大きな影響を与えます。バッテリー生産への需要は急速に増えており、1兆ドル規模に近いリチウムイオン電池及びバッテリー原料市場においてリサイクルは重要な役割を果たすでしょう。バッテリー製造とリサイクル用の施設を、環境的に正しく持続可能に構築、運営するためのガイドをするためにも政策は重要です。

使用済みEV用バッテリーの運命の不確実性は、将来の自動車電動化のために克服すべき課題とされてきましたが、すべての懸念が事実に基づいて出てきたわけではありません。バッテリーは現在ある技術で経済的にリサイクルが可能です。未来のシステムにより、バッテリーのライフサイクルにおける環境汚染や有限なリソースの利用を減らすことができるでしょう。

私は、電気自動車用バッテリーのリサイクル及び再利用の機会とチャレンジについて研究しています。バッテリーが配備されてからその寿命を迎えるまでに、稀少鉱物の需要、電池のセカンドライフ、バッテリーリサイクルのための施設に与える影響をより深く理解し、定量化したいと考えています。研究の一環として、これらのバッテリーに関する問題をさらに深く考察するブログポストをあげていきます。 乞うご期待。

(文・翻訳/杉田 明子)

One thought on “電気自動車用リチウムイオン電池のリサイクルに関するクイック・ガイド”

  1. 電気自動車の敗者が増えてきた昨今、使用済みリチウムイオン電池の再生利用事例が増えてきましたね。
    リーフ初期型24kWhのバッテリーをオフグリッドソーラーの蓄電池にするYouTube動画を複数見かけましたが、真にリサイクル社会を考え、停電の多いあるいは電気も無ェ地方に住む市民活動家の間では仮に残容量67%まで劣化したものでも16kWh使えれば2日は電力自給するそうです。4kWのソーラーパネル・80A程度のチャージコントローラー・インバーターを使い、リーフのセルパックを7直列しBMSを接続して48Vシステムを構築しているので発火事例はまだ見かけませんよ!?
    当然設定ノウハウもBMSメーカーのカタログスペックを見つつUSB経由でPCから設定できるとか。そのうち僕もやりたいです。
    実際そのシステムでアイミーブやミニキャブミーブなど小容量の電気自動車なら十分充電できるそうです。検索すればわかると思います。

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					杉田 明子

杉田 明子

2010年代に住んでいた海外では'94年製のフォード→'02年製のトヨタと化石のような車に乗ってきました。東京に来てからは車を所有していないのですが、社用車のテスラ・モデル3にたまに乗って、タイムスリップ気分を味わっています。旅行に行った際はレンタカーを借りてロードトリップをするのが趣味。昨年は夫婦2人でヨーロッパ2,200キロの旅をしてきました。大容量バッテリーのEVが安くレンタルでき、充電インフラも整った時代を待ち望んでいます。

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