廃EVバッテリーのリサイクル：高価値再利用への新たな道筋
電気自動車（EV）市場の急速な拡大に伴い、使用済みリチウムイオンバッテリーがもたらす環境的・経済的課題への対応が緊急の課題となっています。今後10年間で数百万台のEVが使用寿命を迎えると予想される中、持続可能で効率的かつスケーラブルなバッテリーリサイクルソリューションの必要性がかつてないほど高まっています。華中科学技術大学院環境科学工学科および湖北省固形廃棄物処理リサイクル技術工学研究所のメイ・ヤンルン、リウ・ロンミン、チェン・ラン、ホウ・フイジエ、フー・ジンピン、ヤン・ジアクアンらの研究チームが発表した総説は、従来のクローズドループ回収法と、廃バッテリーを高価値材料へ転換する非クローズドループ戦略を包括的に分析しています。
課題の規模感
EV産業の急成長はリチウムイオンバッテリー生産の爆発的増加を牽引しています。同論文が引用する予測によると、世界のEVバッテリー生産量は2020年の747GWhから2025年には2,492GWhに達するとされています。この移行は脱炭素目標を支持する一方で、廃棄物危機の兆しも生んでいます。EVバッテリーの寿命は通常5〜6年で、その後セカンドライフ用途や最終処分へ移行します。退役したバッテリーにはリチウム、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄などの貴重な金属が含まれており、これらは新規バッテリー製造に不可欠であるだけでなく、地理的に偏在し環境負荷の高い採掘を必要とする資源です。
現在、産業界では主に3つのクローズドループリサイクル手法が採用されています：直接再生法、乾式冶金法、湿式冶金法です。それぞれが異なるバッテリー化学組成や市場条件に適した特徴を持っています。
直接再生法：精密プロセスの可能性
直接再生法は劣化した正極材料の構造的完全性を維持する最も有望な手法の一つです。この方法は電極を完全に溶解または溶解せずに再リチウム化して修復します。失われたリチウムを補充し結晶構造を回復させることで、最小限の工程で機能的な正極を再生できます。
研究例として、トウ・ウェンらはNCM523（LiNi₀.₅Co₀.₂Mn₀.₃O₂）正極の再生に溶融塩ベースの熱処理プロセスを開発しました。電極内の固有カーボンネットワークを利用してイオン拡散を促進し、約160mAh·g⁻¹の容量を達成しました。同様に、ワン・タオらは相互三元溶融塩（RTMS）を用いた「イオンサーマル再リチウム化」技術を開発し、ニッケルリッチNCM622正極を原仕様に復元することに成功しています。
LFPバッテリーの場合、コバルトやニッケルなどの高価値遷移金属を含まないため、不純物への感度が低く化学的単純さから直接再生法が特に有効です。ジ・グアンジュンらはアルゴン/水素雰囲気下で多機能有機リチウム塩を用いた再生法を開発し、完全な構造回復を実現しました。一方、ジョウ・シユは亜鉛陽極と水系リチウム電解質を使用した電気化学的再リチウム化を探索し、低試薬消費かつ高純度の回収を可能にしています。
しかし、直接再生法はスケーラビリティに課題を抱えています。固体電解質界面（SEI）残留物や分解電解質などの不純物を厳密に管理する必要があり、適切に処理されない場合、電気化学的性能が低下します。さらに、高温や特殊雰囲気を必要とするため、エネルギーコストが増加し普及が制限されています。
乾式冶金法：高温処理の課題
大規模処理における簡便性と混合原料への耐性から、乾式冶金法は依然として産業界で重要な位置を占めています。この手法ではバッテリーパックまたは粉砕部品を高温炉（1,000℃以上）に投入し、有機成分を燃焼させ金属を合金相に濃縮します。その後、湿式冶金技術で個別元素を回収します。
ただし、リチウムは揮発性が高く、溶錬過程でスラグや排ガスに逸散するため回収率は通常50％未満です。さらに、大量のエネルギーを消費し、フッ素化合物や微粒子などの有害ガスを排出するため、高コストな排ガス処理システムが必要となります。
これらの課題に対処するため、ヤン・チェンらはでんぷん補助還元焙焼と選択的アンモニア浸出を組み合わせた戦略を開発し、前処理の複雑さを低減しました。タン・イーチは350℃での低温硫酸アンモニウム焙焼を研究し、NCM622を水溶性硫酸塩に98.5％以上の効率で変換しています。ヤン・リミンは過硫酸ナトリウムを使用してリチウム変換の活性化障壁を低下させ、300℃で95％以上の選択的回収を実現しました。これらの革新は、産業スループットと環境責任のギャップを埋める可能性を秘めています。
湿式冶金法：高純度回収の代償
湿式冶金法は現在、高純度金属回収のゴールドスタンダードとされています。比較的低温で操作可能で、溶媒抽出、沈殿、イオン交換を介した精密な元素分離が特徴です。硫酸、塩酸、過酸化水素が一般的な浸出剤として使用され、クエン酸やシュウ酸などの有機酸を添加して選択性向上と試薬消費削減を図ります。
湿式冶金法の利点は、浸出液からNi₀.₅Mn₀.₃Co₀.₂(OH)₂やLi₂CO₃などのバッテリー用前駆体を直接生成できる点にあります。リ・エトアルはH₂SO₄–H₂O₂系を用いたNCM532正極からの金属完全溶解を報告し、pH制御沈殿とCO₂洗浄で高純度炭酸リチウムを得ています。
LFPバッテリーの場合、リャン・ジアンシンはシュウ酸を用いたリチウム選択回収法を提案し、95％の選択性を達成しました。残渣のFePO₄は多孔質機能材料へ転用可能です。チウ・シュエジンは低コスト酸化剤として過酸化水素を採用し、87.6％のリチウム回収率を実現。再生LFP正極は安定したサイクル性能を示しました。
新興技術として、水素結合ドナーとアクセプターからなる深共晶溶媒（DES）が注目されています。レイ・チュンホンらはシュウ酸二水和物とコリン塩化物から調製したDESを用い、コバルトとマンガンを完全溶解させつつニッケルを固体残留させることに成功しました。この固有の分離能力は下流精製を簡素化し、素材設計の新可能性を開いています。
クローズドループを超えて：高付加価値転換
素材をバッテリーサプライチェーンに戻すクローズドループリサイクルに対し、アップサイクリングや非クローズドループ活用が注目を集めています。廃正極材料を次世代エネルギー貯蔵装置や環境修復技術へ転換する試みが進んでいます。
例として、ファン・リンらは有機酸を用いて廃NCMバッテリーからNi、Mn、Coを抽出し、シュウ酸塩共沈でNiMnCoC₂O₄を合成しました。疑似容量電極として1,641F/gの比容量を達成し、4,000サイクル以上安定性を維持しています。
LFP由来材料では、ナトリウムイオンバッテリー開発が焦点です。リウ・カンはNaClを研磨助剤とするメカノケミカル法を開発し、LiFePO₄結晶中のLi-Naイオン交換を誘起しました。生成したNaFePO₄は優れたナトリウムイオン電池正極として機能します。タン・ウェイは電極-電解質界面での高速反応を利用した水溶液電気化学イオン交換法で高純度相転移を実現しました。
さらに、グオ・ミンミンは廃NCM粉末から多金属酸化物触媒を合成し、低温での揮発性有機化合物（VOC）酸化に優れた活性を示しました。ワン・プは廃NCM浸出液をドロマイトと組み合わせ、バイオマス熱分解用改質触媒を開発しています。ルアン・ジアチは廃LFPバッテリーから抽出したリチウムを用いて高効率CO₂吸着材Li₄SiO₄を合成し、80サイクルで0.24g/gの安定吸着性能を達成しました。ワン・ボランはLFP廃棄物からFe-N-Pドープカーボンナノチューブアレイを作製し、電極触媒として廃水脱硫と水素生成を同時に可能にするシステムを開発しています。
産業実態と将来展望
研究室レベルの成果を商業化するには依然として課題が残ります。湿式冶金法は高純度製品を得られますが複雑な工程と大量の廃水を発生させます。乾式冶金法はスケールメリットがあるもののリチウム損失が課題です。直接再生法は実原料の変動に対する頑健性に欠けます。
産業的視点では、乾式冶金による前濃縮と湿式冶金仕上げを組み合わせたハイブリッドモデルが有効です。スマート選別技術や自動分解システムの導入により、不純物混入を低減し経済性を向上できます。
非クローズドループ用途は市場参入障壁が高いものの、ESG（環境・社会・ガバナンス）基準の重要性増大に伴い、企業競争力強化の機会を提供します。政策支援として、資金調達メカニズムの整備、リサイクル含有率基準の明確化、拡大生産者責任（EPR）枠組みの推進が不可欠です。
今後は、AIを活用したプロセス最適化、ブロックチェーンによるトレーサビリティ確保、ライフサイクル評価ツールの導入が進むでしょう。リサイクルを考慮したバッテリー設計（Design-for-Recycling）の原則が次世代製品開発に組み込まれることが期待されます。
廃リチウムイオンバッテリーは廃棄物ではなく、未開拓の二次資源です。クローズドループ再生であれ創造的アップサイクリングであれ、環境影響を最小限に抑えつつ価値を最大化する道程が重要です。研究が限界を押し広げる中、自動車およびエネルギー産業は真に循環型のバッテリー経済の実現に近づいています。
著者情報
メイ・ヤンルン、リウ・ロンミン、チェン・ラン、ホウ・フイジエ、フー・ジンピン、ヤン・ジアクアン
華中科学技術大学院環境科学工学科
湖北省固形廃棄物処理リサイクル技術工学研究所
Energy Environmental Protection
DOI: 10.20078/j.eep.20240609