リチウムイオン電池は日常生活に欠かせないものになりました。使用されるバッテリーの数もそれに応じて多くなります。グラファイトなどの重要な原材料が大量に含まれています。この鉱物をリサイクルして、同じ性能の新しいバッテリーに再利用することは重要な目標です。

ヘルムホルツ・ツェントルム・ドレスデン・ロッセンドルフ（HZDR）にあるヘルムホルツ研究所ウルムとヘルムホルツ資源技術フライベルク研究所（HIF）の研究者たちは、このほど成功を実証した。黒鉛リサイクル技術。テストでは、精製されたグラファイトは、純正の市販のアノードグレードのグラファイトに匹敵する優れた容量保持率を示しました。

リチウムイオン電池 (LIB) は、ほぼすべての電化製品に組み込まれており、e-モビリティの重要なエネルギー供給源です。ただし、さまざまな老化プロセスにより、使用期間中にバッテリーの性能が低下します。

LIB には多くの重要な原材料が含まれています。名前の由来となっているリチウムに加えて、銅、ニッケル、コバルト、アルミニウム、グラファイトなどの金属が含まれています。後者は負極材料を指し、電池重量の約 15% ～ 25% を占めます。グラファイトが純粋であればあるほど、このメカニズムはより良く機能します。

合成黒鉛、つまり、エネルギー集約的なコークスベースのプロセスを使用して製造された黒鉛は、その最適化された適応性のある特性のおかげで、この課題を特によく満たします。しかし、天然（つまり、鉱石から採掘された）および合成アノードグラファイトはどちらも主に中国から来ており、重大な環境負荷があります。

したがって、原材料を回収し、同時に中国への依存を最小限に抑えるためには、リサイクルが不可欠です。現在、ヨーロッパでは毎年約10万トンの使用済みバッテリーがリサイクルされています。

黒鉛の精製と再利用

使用済みのバッテリーからグラファイトを回収するには、まずバッテリーを細断し、黒い塊として知られるものを残します。グラファイトは、泡浮選法を使用してこの微粉末から抽出されます。このプロセスは、鉱物の選択的疎水化、つまり撥水特性と、これらの粒子の気泡への付着に基づいており、その後泡を介して回収されます。

得られた濃縮物は、多くの場合、環境破壊を引き起こす可能性があるフッ化水素酸などの無機酸を使用して精製されます。この場合、オーストラリアの企業 EcoGraf は、毒性の高いフッ化水素酸を必要としない環境に優しいプロセスを使用して黒鉛粒子を洗浄しました。

ウルムとフライベルクのヘルムホルツ研究所の研究者は、純度およびアノード材料としての再利用に関してグラファイト粒子を検査した。「私たちが実施したテストにより、廃棄されたLIBから回収されたグラファイトの電気化学的性能が新しいアノードグラファイトの電気化学的性能と一致することが証明できました。比較すると、構造と形態はわずかに変化しています。」

「最も重要なことは、リサイクルされたグラファイトは、リサイクルプロセスからの微量の不純物にもかかわらず、350 mAh/gを超える驚くべき可逆比容量を持っていることです」と、研究当時HIFの科学者であるアンナ・ヴァンダーブルッゲン博士は述べています。

リサイクルされたグラファイトから作られた新しく組み立てられたバッテリーセルを使用したテストでは、優れたサイクル安定性が示されています。テストセルは 1,000 回の充放電サイクルにさらされ、容量維持率は 80% でした。これは、純粋な材料で作られたリファレンスフルセルのパフォーマンスに匹敵します。

循環経済への重要な一歩

この結果は、昨年改正されたばかりの欧州電池規制の要件を満たすための重要な一歩となります。これにより、2030 年までに最小リサイクル効率が 50% から 70% に増加することが規定されています。

グラファイトは LIB の総質量の最大 25% を占め、近い将来も中期将来も LIB の不可欠な構成要素であり続けるため、このリサイクルプロセスは欧州グリーンディールの要件に沿った大きな進歩を意味し、何よりも循環経済に向けて前進しています。