使用済み電池の塩酸塩溶解液からの選択的リチウム抽出

なぜ古い電池がいまも重要なのか

リチウムイオン電池は携帯電話、ノートパソコン、電気自動車を駆動しますが、寿命を迎えた後の電池から内部のリチウムを回収するのは難しいことが多いです。現在、多くのリチウムは失われるか、または多段階で高コストな工程を経てようやく回収されています。本研究は、粉砕して化学的に溶かしたときに生じる酸性溶液から、より早い段階でリチウムを簡便に引き出す方法を探り、エネルギー・薬品・貴重金属の節約を目指します。

粉砕したセルを有用な液体に変える

現代の電池リサイクルは多くの場合、「ブラックマス」と呼ばれる暗色の粉末（使用済みセルを粉砕して得られる）から始まります。この粉にはリチウムのほか、ニッケル、コバルト、マンガンなども豊富に含まれます。一般的な手法はブラックマスを塩酸で溶解し、ほぼすべての金属を一度に含む塩分の高い液体を作ることです。問題は、既存の回収法が通常はより高価な金属を優先し、リチウムは最後に回されるため希釈されたり一部が失われたり、不純物と混ざった状態になることです。同じ酸性溶液からリチウムをより早く回収できれば効率的ですが、それには他の金属を連れてこない選択的にリチウムを掴める材料が必要です。

リチウムを好むように設計された液体

研究者らは分子レベルでフィルターのように働く特殊な有機相を設計しました。これは三つの成分を組み合わせています：鉄イオン、工業的に一般的な溶媒であるトリブチルリン酸（tributyl phosphate）、およびP507として知られる酸性の助剤分子です。この有機相を酸性の電池溶出液と混合すると、リチウムイオンはニッケル、コバルト、マンガンに比べてはるかに有機相に移りやすくなります。チームはP507と鉄の比率を慎重に調整し、有機相が溶出液からリチウムを取り込み、後で清水へ放出できるようにし、鉄は有機相内に保持して再利用できるようにしました。

段階を踏んで：混合スープから清澄なリチウムへ

わずかに異なる二つのプロセスレイアウトが試されました。第一の方法では、有機相が電池溶出液から直接リチウムで荷電され、その後にP507が添加されて系を安定化させました。第二の方法では、まず単純なストック溶液を用いて鉄を有機相に事前負荷し、その後に実際の溶出液と接触させました。どちらの経路も、トレーシング不純物を洗い流すスクラビング、リチウムを有機相から水へ移すストリッピング、そして有機相を次サイクル用に整える再生の三つの主要段階を経ます。適切な有機相と水相の混合比およびP507と鉄の比率を約1.5〜1.7に保つことで、複数の接触段階にわたり90％以上のリチウムを抽出し、ニッケルとコバルトはほぼ元の溶液に残しました。

体系を安定に保ち、再利用する

チームは赤外線および紫外可視光の測定を使って、液体フィルター内で鉄と有機分子がどのように相互作用しているかを確認しました。これらの試験は、塩化物濃度が水へのストリッピングで低下しても、鉄が有機相に留まる結合形態にあることを示しました。その結果、同じ溶媒は鉄や抽出性能の大きな損失なしに複数サイクルで再利用できます。6回の繰り返し運転では、単段のリチウム抽出率は約65％前後で維持され、最終的なリチウム濃厚水流は1リットル当たり11〜14グラムのリチウムを含み、ニッケルとコバルトは検出下限以下、マンガンもほとんど検出されませんでした。

よりクリーンな電池リサイクルへの意義

専門外の方にとっての重要な結論は、再利用可能な液体フィルターと最終回収に用いる単なる水だけで、過酷で塩分の高い電池溶出液からリチウムを早期に引き出せることです。これによりブラックマスを高温処理する必要がなくなり、酸やアルカリの追加を削減し、余分な不純物金属の持ち込みを防げます。産業規模のリサイクル工場では、精製された溶出液を既存の方法でニッケル、コバルト、マンガンの回収に回し、リチウム濃厚の水流は電池グレードのリチウム塩へ転換できます。これらの工程を組み合わせることで、充電式電池のリチウム循環を閉じる、より効率的で持続可能性の高い方法が期待されます。

引用: Saleem, U., Buvik, V., Bandyopadhyay, S. et al. Selective extraction of lithium from acidic chloride leachates of spent batteries. Sci Rep 16, 14984 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43332-y

キーワード: リチウムリサイクル, 電池溶出液, 溶媒抽出, ブラックマス, ハイドロメタルジー