鉛酸電池のリサイクル
循環型経済における電池リサイクルのためのパラダイム
バッテリーのリサイクル、特に鉛蓄電池は、エネルギー貯蔵産業のモデルとなっています。 私たちは皆、循環型経済の概念とその恩恵について認識しています。 そのために最も重要なのは、使用済み商品のリサイクルプロセスだけでなく、廃材の収集と輸送のための安全なインフラが確立されていることです。 電気自動車やエネルギー貯蔵システムなど、多くの商業・産業用途で電池の使用が急増している中、電池の原材料の調達や電池のリサイクル性に対する関心が高まっています。 リサイクル可能性と、その製造のための原材料の入手可能性が表裏一体であることは、かなり明白である。
鉛蓄電池は、地球上で最もリサイクルされている商品です。
現在、世界の電池メーカーとユーザーの大半を占める電気化学的なストレージ技術はいくつかあります。
図1. 世界で販売されているさまざまなバッテリーの化学物質の割合をMWhの関数として表したもの。
Fig. 1は、年間に生産されるさまざまな種類の電池の世界販売量（MWh）のおおよその割合を示しています。 現在の電池市場では、明らかに鉛蓄電池とリチウムイオン電池の2つの技術が主流となっています。 同様に明らかなのは、リチウムイオン電池が非常に急速に成長していることであり、この成長率には懸念がある。 1つは、リチウム電池の商業的なリサイクルプロセスがないため、使用後の廃棄問題が発生する可能性があることです。
もう一つは、需要の増加に伴い、電池を製造するための材料が不足する可能性があることです。 このブログでは、鉛酸化学があらゆる種類の電気化学的貯蔵システムのバッテリーリサイクルのモデルとなり得ることをご紹介します。
鉛蓄電池の特徴は、その古さにあります。 そのため、すべての構成材料をリサイクルして再利用する方法を開発し、電池全体の回収率はほぼ100％と言えるまでになりました。
電池のリサイクルはどのように行われるのですか？
この素晴らしい統計は、素材の破壊、分類、精製に使用される機械的および化学的手法の機能だけでなく、収集と流通のネットワークを持っていることが重要です。 鉛の製錬プロセスは、数千年前から人類に知られていました。 しかし、電池のリサイクルに有利な鉛の特性（低融点、反応性のなさ）は、電気化学的な活性を低下させ、エネルギー密度を低下させる特性でもあるのです。 毒性が知られているにもかかわらず、電池の構造材料として鉛が採用されているのは、このリサイクル性が大きな要因となっている。 現在、電池メーカーとリサイクル業者の両方が懸念しているのは、その毒性です。
このため、従来の汚染を伴う乾式製錬技術に代わる方法が開発されている。 これらの方法では、電池活物質を溶媒に溶かし、様々な化学的形態で鉛を抽出します。 次回のブログでは、この2つのアプローチの長所と短所を説明し、その相対的なメリットについて見解を述べたいと思います。 しかし今回は、鉛蓄電池の技術と、現在使われているリサイクルのインフラや方法に焦点を当てています。 この時点で、リサイクルの一般原則を簡単に説明し、すべての種類のバッテリーを効果的かつ商業的にリサイクルするために克服しなければならないハードルを理解していただくことが有益です。
リサイクルの一般的な定義は次の通りです。
- “廃棄物を使用可能な材料に変換する行為またはプロセス”
- この定義はさらに洗練され、オープンループとクローズドループの2つの流れに分けることができます。
オープンループリサイクルとクローズドループリサイクル
Fig. 2は、両タイプの一般的な原理を示しています。 クローズド・ループとは、回収された材料が本来の用途で再利用されることを意味します。例えば、廃ガラス瓶がさらにガラス瓶にリサイクルされるようなものです。 オープンループ・リサイクルとは、回収された材料を別の用途に再利用することであり、最終的には使用不可能な廃棄物となります。 例えば、家庭ごみを焼却してショッピングモールの局所暖房に利用するといった例です。 副産物は、主にNOx、SOx、CO2などのガスで、汚染物質とみなされます。 また、副産物である固形物も使い道のないゴミとなり、埋め立てられてしまいます。
電池リサイクルは儲かるのか？
上記のようなリサイクルの定義は議論の上では問題ありませんが、経済的に成り立つプロセスにするためには、変換と廃棄の間に「経済的に」という言葉を加える必要があります。 これは重要なことです。 この重要な要素がなければ、廃棄物の収集・運搬に必要な手間とコスト、必要な素材の抽出・回収に必要なコストと費用を負担するビジネスは成立しません。 一般的な原理として、地球上で製造されたすべての部品からほとんどすべてのものを回収し、リサイクルすることが技術的に可能であることは疑いの余地がありません。 技術やノウハウは存在する。 問題は、どれくらいの費用がかかるかです。
これらの原則を踏まえた上で、具体的に電池のリサイクルを考えてみましょう。 Fig. 3は、鉛蓄電池の循環型公式リサイクル方法を示す模式図です。
電池をリサイクルするとどうなるの？
このことから、電池の製造から廃棄・回収までのルートが確立されており、情報が蓄積されていることがわかります。 元の小売業者または民間および公共の電池リサイクルポイントが、新しい電池にリサイクルするという特定の目的のために、消費者から返品された電池を使用している回収ポイントがあります。 使用済みバッテリーの輸送には、その危険な性質のため、適切な封じ込めが必要であるということです。 これらの手順と作業方法は、回収・配送業者、小売業者、鉛精錬業者、精製業者（リサイクル業者と呼ばれることが多い）で構成され、危険物の回収、保管、輸送に関する法律と規制の接着剤によって支えられている公式のバッテリーリサイクル組織を対象としています。
電池のリサイクルはどのように行われるのですか？
しかし、広く知られているように、公式ルートの高価な法的制約を受けずにバッテリーリサイクルを行うインフォーマルセクターも存在します。
アフリカ、インド、南米などではこのような状況があることが知られているが、ヨーロッパに代表される工業先進国では、このような閉ループのプロセスの中で非公式な要素に頼ることはないと考えられる。 そうであれば、ヨーロッパの国々では電池のリサイクル効率が100％近くになるはずです。
なぜ電池をリサイクルすることが重要なのですか？
しかし、残念ながらそうではなく、Fig. 4は、ヨーロッパの大部分の地域における電池のリサイクル状況を示しています。 ここでは、2018年に90％以上のバッテリーリサイクル効率を達成したのは30カ国中8カ国のみで、100％の回収率とバッテリーリサイクル率に達しているか、それに近い国は4カ国のみであることがわかります。 しかし、これらの統計の背景には、報告基準や、現在の年間販売量と、バッテリーの寿命や過去の販売で得られたスクラップの量を一致させるという目標など、さまざまな要因があります。 ヨーロッパにおける廃バッテリーの移動や流通は、法律があるにもかかわらず、残念ながら非公式で違法な方法で行われることがあります。
なぜ電池をリサイクルするのか？
これは、需要が高く、供給が不足している場合に特に当てはまります。
次に、よく言われる「鉛蓄電池はほぼ100％リサイクルされる」という統計には戸惑いがあります。 これは、リサイクルされる電池の総量ではなく、プロセスからの電池材料の回収量を言っている場合に当てはまります。 つまり、電池に含まれるプラスチック、鉛、酸のほぼすべてが、さらなる電池の原料となるのです。 場合によっては、硫酸を使って肥料を作るなど、他の材料の原料を含むこともあります。
いずれにしても、技術的には100％回収することは不可能であり、1％以下の小さな損失とはいえ、どうしても損失が発生してしまいます。 このように硫酸が他の用途に使われているということは、回収方法が、鉛の団体やバッテリーのリサイクル会社のウェブサイトで盛んに紹介されている循環モデルに完全に合致していないことを意味しています。 また、鉛蓄電池のリサイクル方法である乾式製錬法では、有害物質の排出や廃棄物（スラグ）の発生が避けられないことも考慮する必要があります。
電池のリサイクル率、プロセスでの損失、発生する廃棄物を理解するには、鉛蓄電池の材料と、回収プロセスの化学的・工学的原理の両方を調べる必要があります。 Fig. 5は、鉛蓄電池のリサイクルにおける回収工程の模式図です。
バッテリーリサイクルプラントとは？
電池のリサイクル工程
この場合、それは現在のところ唯一商業的に利用可能なプロセスである、現行のパイロメタリング法である。 この図では、回収してバッテリーリサイクルサイトに搬入した後の4つの基本ステージを示しています。 これらは
- バッテリー破壊と分別 電池スクラップはハンマーミルに入れて粉砕し、基本的な鉛含有ペースト、金属グリッドグラニュール、プラスチックビット、酸成分に分離します（図）。 6.
- 脱硫。 ペースト状の活物質や鉛状の活物質をソーダ灰で処理して硫黄を除去する。
- 製錬（溶鉱炉または反射炉）炉。 脱硫されたペーストは、高炉や反射炉で製錬され、スクラップの組成や目的とする最終製品に応じて、鉛化合物を軟質または硬質の鉛地金に還元します。 7.
電池廃棄物のリサイクル
- 鉛の地金を精錬する。 最も一般的な方法は焼成で、軟質（純良）の鉛と硬質（合金）の鉛を作る。
この図を見ると、興味深い点があります。 製品としてのリサイクル部品とともに、様々なプロセス段階での排出物の問題もあります。
これらは一般的に、ガス（COx、SOx、NOx）、鉛を含む粉塵、硫黄や鉛などの汚染物質を含む排水などの大気および排水の排出です。 これらの排出量は、鉛のリサイクルが行われているすべての国で、国や地域の基準によって管理されています。 現代のレベルは非常に小さく、大気、土地、水の汚染は、規制されたフォーマルセクターでは一般的に過去の問題となっています。 しかし、WHOによると、一部の都市や村では、土地の汚染や血中鉛濃度の上昇の原因となっており、現在もその原因となっているインフォーマルセクターについては、この限りではありません。
パイロメタリングプロセスのもう一つの発展は、廃棄物スラグから金属汚染物質を回収することで、この廃棄物画分を土地や道路の埋め立てプロジェクトに適したものにすることです。
このような溶解プロセスの2つの例は、AureliusとCitrecycleの特許技術です。 両社とも、クエン酸を溶媒にして鉛ペーストを溶解し、様々な鉛化合物を回収して処理するプロセスを持っています。
この2つのプロセスを比較したフロー図が図8です。 図を見ると、従来の方法と同様に電池スクラップを破砕・分別しているが、製錬・脱硫の工程がないことがわかる。 乾燥したクエン酸鉛という販売可能な製品がありますが、これは管理された規制された条件の下でさらに加工するために正規の部門に販売することができます。 このタイプのプロセスは、現在のインフォーマルなリサイクル部門が、地方自治体の管理下でモジュール形式で採用することができると提案されています。 これは、鉛汚染や血液中毒を防ぐだけでなく、インフォーマルなリサイクル業者をフォーマルなリサイクル部門の管理下に置くという二重の効果があります。
鉛蓄電池は、地球上で最もリサイクルされている商品です。 - Fig.9
鉛蓄電池のリサイクル部門は、まさに循環型経済のモデルであり、第一段階の青写真として捉えることができ、そこからさまざまなバッテリー化学物質に適したさまざまな反復を導き出すことができます。 しかし、鉛の毒性や、現在の乾電池のリサイクル方法による排出物や廃棄物の管理などの課題があります。 国や地方自治体が定めた廃電池の回収・保管・処理の法的要件を満たしていないインフォーマルセクターの管理を改善する必要があります。 しかし、汚染や安全性の問題を解決するために設計された、より安価で環境に優しい新しいプロセスが実用化されようとしています。
より安全で汚染の少ないこれらの方法を用いれば、電池スクラップから4ナインの軟質鉛を製造するという目標を達成することができます。 世界の経済や政治が、電池を製造するための材料や鉛の供給に影響を与えます。 CO2の発生を抑え、スラグを除去し、汚染を最小限に抑える方法で、社内で発生するすべての電池スクラップを完全にリサイクルすることが今後の課題です。 鉛蓄電池のリサイクルは、現在の模範的な状況ではありますが、業界はすべてのプロセスをよりクリーンで安全、そして環境に優しいものにするために、今もなお改善を続けています。
この目標を達成するための新技術は、大きな前進となる可能性があります。マイクロテックスは、私たちに直接影響を与える最新の電池技術の開発について、常に最前線でお客様やパートナーに正確に伝えていきます。
