技術開発を推進するリチウム電池の需要増加

プロセスと機器の継続的な開発

リチウム需要の高まりの副作用は、鉱業会社が急いで上場する傾向があることです。 「今後数年間で、いくつかの企業は、リチウム輝石鉱石から炭酸リチウムオンラインを抽出します。その重量は8 <UNK> Li 2 Oのために満たす需要については通常、起動することは容易である。。」Jenike＆ヨハンソン（チングズバロ、マサチューセッツ;プロジェクトwww.jenike.comのエンジニアJoshMarion。この影響は、リチウムの高い価値とその特定の物理的特性と相まって、最初の採掘から最後の精製ステップまで、リチウム処理のすべての段階で適切な設計の重要性を強調しています。製品の純度、粒状性、密度の理想的な基盤を達成しようとすると、プロセッサーは新しい方法でバルク固体に近づくことを余儀なくされます。「多くの処理要件は、従来の鉱物処理よりも医薬品生産に似ている可能性があります。の材料品質には高い要件があります。バッテリーメーカー。信頼できる固体処理がないと、必要な製品の一貫性を達成できません」とマリオン氏は説明しました。

リチウムプロセッサが経験する主要な運用上の問題には、凝集、蓄積、トラフィックの停止などがあります。採掘後にリチウム輝石鉱石からリチウムを抽出するために、鉱石は一連の破砕および粒度等級付けステップを経て、所望の粒度鉱石を生成する必要があります。次に、濃縮物は濃縮プラントに送られ、そこで乾燥、粉砕、分離、脱水、さらに粒状化されたステップでリチウム輝石濃縮物が生成されます。次に、濃縮物は焼成のために処理プラントに入り、さまざまな水溶液、酸、およびその他の化学物質を追加して、鉄、アルミニウム、シリコン、マグネシウムなどのさまざまな不純物を抽出します。最後に、ウェットフィルターケーキを結晶化し、乾燥させて水酸化リチウム（LiOH）または炭酸リチウム（Li2CO3）製品にします。 「特にウェットフィルターケーキのリチウムのプロセスでは、十分な乾燥機がない場合、または処理装置がわずかに湿った材料を処理するように設計されていない場合、通常、工場全体にリチウムとリチウムのブロックが蓄積します。リチウム塩は、材料が乾燥していても、湿気やケーキを吸収する可能性がある」とマリオン氏は述べた。彼は、これらのボトルネックを回避し、製品品質の一貫性を確保するために、機器の設計段階で細部に注意を払うことが不可欠であると強調しました。 「機器を選択して設計するときは、プロセスの各段階の材料特性を確実に考慮することが重要です」と彼は付け加えました。

LIBの性能要件の開発に伴い、機器メーカーはこれらの要件を満たすための新しいテクノロジーを開発しています。 「現在、リチウム生産者にとって重要なパラメータは純度と粒度です」GEAGroupAG（ドイツ、デュッセルドルフ、北米化学製品の営業部長、Ananta Islam、www.gea.com。特定の不純物の存在は、バッテリーの性能に直接影響します。 、したがってリチウムメーカーは厳格な純度基準に従う必要があります。「ユーザーはバッテリーグレードの製品に非常に低レベルのナトリウム、カリウム、硫黄、重金属を求めています」と、GEAのシニアセールスおよびテクノロジーマネージャーであるChristianMelchesは説明します。南アメリカの塩水材料またはカナダとオーストラリアの典型的なリチウム-リチウムピロキセン鉱石では、これらの不純物は通常かなりの量で存在します。純度の問題を解決するために、GEAは組み合わせて使用できる結晶化ユニット（図1）を提供します精製を最適化するために。「最も純粋な製品を得るために、プロセス自体からいくつかの晶析装置にプロセスを導く方法を知ることが重要です」と彼は言いました。複合結晶化デバイスに関するその他の重要な考慮事項は、エネルギー効率です。省エネ対策の1つは、金型蒸気の機械的再圧縮を使用して、プロセスの駆動に使用される蒸気を生成することです。

LiOH（現在のほとんどのLIBメーカーに推奨されるリチウムの形態）には、非常に正確な粒子サイズ分布が必要であり、専用の噴霧乾燥装置が必要です。 Islamは、従来の噴霧乾燥の一般的な粒子サイズ範囲は40〜50μmである可能性があると説明しましたが、LiOH処理の場合、範囲は約5〜7μmです。材料が要件を満たしていることを確認するために、GEAはリチウム処理用の特定のノズルを開発して特許を取得しています（図2）。 「コンビノズルは、二次噴霧に高圧ノズルと圧縮空気を使用して、粒子サイズをさらに小さくします」とイスラム氏は述べています。リチウムメーカーは、粉末を正しく圧縮するために必要な粒度が少なくてすむため、LIBのパフォーマンスに直接影響すると述べています。イスラム教によれば、この特別なノズルは、非常に小さな粒子を必要とする吸入薬に使用される噴霧乾燥粒子のために製薬業界で使用されている技術に基づいて開発されました。

塩水とリチウム輝石は今日のリチウムの大部分を生成しますが、今後数年間は需要が高いため、他のソースが生成される可能性があります。 「鉱業会社はリチウム源の交換に投資し始めているので、将来の処理装置はより不純な原材料を処理するために調整する必要があるかもしれない」とメルチズ氏は述べた。

資源利用率を高め、LIBコストを削減するために、さまざまなリチウム調製物に対してより多くの原材料の柔軟性を導入し、より低い原材料を導入する技術が出現しています。 NanoOne Materials Inc.（カナダ、ブリティッシュコロンビア州バンクーバー、www.nanoone.ca）は、さまざまな化学電池用のカソード材料を製造する独自のプロセスを開発しました。表1に、NMC、NCA、LTOなどの市場で最も一般的なLIB化学物質を示します。典型的な固体カソード製造技術とは異なり、NanoOneの技術はソリューションベースです。 NanoOneMaterialsのチーフサイエンティストであるStephenCampbellは、次のように述べています。「ソリューションベースのプロセスにより、電池材料をより安価に製造でき、プロセスは非常に柔軟であるため、リチウムカソード材料の複数の配合を作成できます。そして...電池メーカーがLIBの容量、安定性、およびコストを最適化しようとすると、カソードのニッケル含有量を増やしながらコバルト含有量を減らしようとします。これらの高ニッケル材料を製造するためには、LiOHが好ましいリチウム原料ですが、入手がますます困難になり、費用がかかるようになっています。 NanoOneの技術は、LiOHまたはより豊富で安価なLi2CO3を使用してカソード材料を製造できるため、Li2CO3メーカーに直接的なアプローチを提供し、Li2CO3を水酸化リチウムに変換するための高価なプロセスへの投資を回避できます。 「他の誰も使用できないリチウム源を使用することで、サプライチェーンを緩和することができる」とキャンベル氏は述べた。

NanoOneのソリューション技術は、リチウムを他の遷移金属とともに（環境条件下で）水に溶解するため、リチウムの種類は独立しています。LiOHとLi2CO3は同じように処理されます。溶解した金属は沈殿して、既存のすべてのカソード金属の規則正しい格子構造を持つ結晶前駆体を生成します。キャンベル氏によると、この整然とした構造は、炉内でのより迅速な発射に役立ちます。 「金属が整然と混合されているため、7時間以内に材料を発射できます。リチウムを他の金属と粉砕する従来の方法では、長距離拡散が必要であり、完了するまでに1〜2日かかる場合があります。別の利点NanoOneの技術の特徴は、結晶の均一性によって不純物が希釈され、低品位の原材料に対するプロセスの耐性が高まり、運用コストがさらに削減されることです。NanoOneは現在、さまざまな汚染種に対処する技術の能力を評価するために、さまざまな純度のリチウムサンプルをテストしています。 「特定の不純物の影響は、一部の人々が考えるほど悪くはないことがわかります。たとえば、マグネシウムは混ぜ物として使用でき、実際に性能を向上させることができます」とキャンベル氏は説明します。 NanoOneは現在、パイロットプラントで1日あたり最大1トンの容量で300kgのバッチでカソード材料を生産することができます。チームは最近、検証のために製品サンプルをサードパーティ組織に送信し始めました。

バッテリーの回復

使用済みバッテリーには需要の高い材料が大量に含まれており、多くの組織がこの未開発の資源を最大限に活用するための効率的なリサイクル技術の開発に取り組んでいます。 United States Manganese Corporationは、EVバッテリーからカソード金属（リチウム、コバルト、マンガン、ニッケル、アルミニウムを含む）を回収するプロセスを開発しました（図3）。 AYの社長兼最高経営責任者であるLarryReaughは、同社は現在、低品位鉱石からマンガンを回収する実証済みの連続プロセスを使用して、技術を実証するためにkgサイズのパイロットプラントを建設中であると述べました（図4）。 3トン/日の商業プラントが建設中であり、LIB生産者からのスクラップまたは標準以下の金属を利用します。実験室でのテストでは、100缶の陰極金属がLIBの材料と廃棄物から回収されました。これらは通常、最終的には埋め立て地や製錬所で行われます。金属の回収は効率的ではなく、どのカソードからもリチウムを回収することは不可能です。 Reaughは、マンガン生産レベルが高い場合の連続運転の歴史を証明するため、AYプロセスは簡単にスケーリングできるはずだと説明しました。

二酸化硫黄やその他の低コスト試薬、および自動バッテリー分解プロセスを使用することで、AMYの回収技術は、100トンの金属が回収され、プロセス水がリサイクルされるため、ほとんど無駄がありません。 Reaugh氏は、水力冶金プロセスの革新的な部分は、沈殿ステップを簡素化し、金属の収量を増やし、多くの金属やカソード化学物質を扱う柔軟性を備えていると述べました。

リチウムやコバルトなどの電池材料の将来の供給と需要を考慮すると、Reaughは、リサイクルプロセスを鉱業と比較すると、その利点は非常に明白であると考えています。 「コバルトの価格は高騰しており、すぐに生産が開始されることはないようです。新しい鉱山の場合は、何年もの納期を考慮する必要があります」と彼は付け加えました。 「私たちのリサイクルは鉱業よりも経済的だと思います。」

カリフォルニア大学サンディエゴ校（www.ucsd.edu）のエンジニアは、廃棄されたLIBからカソード材料を回収するための別の新しい技術を開発しました。このプロセスは、接着剤の溶解、懸濁、ろ過、洗浄を含む非破壊粒子分離ステップで始まり、その後、カソード粒子がリチウム塩の存在下でアルカリ性溶液中で加圧される水熱リチウム化の処理が続きます。後続のアニーリングステップは、以前のバッテリー使用中に劣化する可能性のある材料の結晶構造を修正するのに役立ちます、とカリフォルニア大学サンディエゴ校のナノエンジニアリングの教授であるzhengchenは説明します。チームによると、プロセス中に回収された回収されたバッテリー材料は、充電ストレージ容量、充電時間、およびバッテリー寿命の点で元のパフォーマンスに回復しました。

チェン氏によると、このプロセスの主な利点の1つは、他のバッテリーリサイクル技術と比較した場合のエネルギー効率です。 「再現に多くのエネルギーを消費する粒子の構造と組成のほとんどを破壊することはありません。「これらの製造ステップの繰り返しを避けることでエネルギーを節約できます」と彼は言いました。このプロセスはグラムスケールで実証されており、 LCOおよびNMCバッテリーで利用可能であることが証明されており、電気自動車や家電製品からのLIBを柔軟に処理できます。

化石燃料処理における金属

LIBに対する世界的な需要の高まりにより、業界は多くの金属の代替エネルギー源を検討し、場合によっては、従来の石油およびガスプロセスからインスピレーションを得ることを余儀なくされています。 MGX MineralsInc。およびHighburyEnergy Inc.。バンクーバーと共同で開発された新技術は、石油精製の主な副産物である石油コークスからLIBで使用される金属（コークス）を回収することを目的としています。石油コークスは、高度な熱化学ガス化プロセスに送られ、水素と灰の副産物を生成します。この副産物から、ニッケルやコバルトなどの高価な金属と、さまざまな濃度の希土類元素が回収されます。水素の需要が高く、安価な石油コークス原料が大量にあるため、このプロジェクトは非常に魅力的です。金属回収の有効性の鍵は、通常ガス化操作に影響を与えるタールと残留物の蓄積を排除するためのガス化流動床反応器技術の精度にあります。 「このプロセスには、低タールガス化とクリーンアッシュ副産物が必要です。最後に必要なのは、タールまたは灰中の有機材料であり、金属処理を非常に困難にする可能性があります」と、MGXマイニングの社長兼最高経営責任者であるJaredLazersonは説明しました。このガス化プロセスのもう1つの利点は、非常に微細な材料を含む非常に広範囲の粒子サイズを処理できることです。ガス化装置はセントレーターとして機能するため、金属回収プロセスは比較的簡単です。

Lazersonによると、オイルガス化および金属回収プロセスをオイルサンド処理サイトと同じ場所に配置する機能により、ロジスティクスおよび輸送の問題が解消されます。 Highbury Energyは、独自の流動床反応器技術を使用して、ガス化試験プラントを長年にわたって稼働させてきました。 「次の段階がパイロットになるのか、小さな商業プラントになるのかを理解し始めたところだ」とレイザーソン氏は語った。 「石油コークスに加えて、他のプロジェクトはアスファルトの供給源として石炭を提案しました。

リチウムでは、MGXMineralsはリチウム回収のためのナノ濾過技術を進歩させています。このプロセスでは、特許取得済みの高強度浮選プロセスでマイクロバブルを使用して、原材料から残留油、金属、小粒子（通常は塩水、尾鉱、リチウム含有廃水、石油、天然ガス、化学処理サイト）を除去します。 Lazersonは、このステップで99トンの物理粒子を除去し、ナノろ過ステップに非常にクリーンな塩源を提供し、リチウム液体の流れをLIB製造に必要な純度レベルまでさらに精製できると述べました。 「基本的に、それはナナイトのための高度に専門化された吸着技術です」と彼は付け加えました。 「最初のステップでナトリウム、マグネシウム、カルシウムなどの不純物を除去するので、最終的には非常に純粋なリチウム濃縮物と、収益化できる他の塩濃縮物になります」とLazerson氏は述べています。同社は最初の商業プラントを完成させようとしており、次のプラントの設置場所を評価しています。この工場は現在、1日あたり750バレルを生産しており、初期建設工事が進行中で、1日あたり7,500バレルを生産しています。 MGX Miningは、南カリフォルニアでの地熱処理に関連する大規模な天然ブラインサイトの潜在的な展開など、南北アメリカのパートナーとも協力しています。同社は最近、Orion Laboratory Co.Ltd。およびLightMetals Internationalとの共同開発プロジェクトを発表し、リチウム輝石精鉱で高純度のLi2CO3またはLiOHを製造するための新しいモジュール式熱化学プロセスを商品化しました。

リチウムのもう1つの潜在的な発生源は、水圧破砕活動からの廃水です。テキサス大学オースティン校（UT; www.utexas.edu）と、オーストラリアのメルボルンにあるモナッシュ大学（オーストラリアのメルボルン、www.monash.edu）およびCSIRO（オーストラリアのメルボルン）。 www.csiro.au）は、金属有機骨格（MOF）を使用して、廃水からリチウムを選択的に抽出する膜プロセスを開発しました（図5）。 「この作品の特定のMOFに開口部があることを考えると、それに対応できますか？何ですか？大イオンや高水和イオンではなく、部分的に脱水されたリチウムイオンは、ナトリウムなどの脱水イオンの大部分と比較して、リチウムに対して選択的になります。 、カリウム、およびセシウム、「UTの化学工学の教授、ベニー・フリーマンは説明しました。 「私たちの現在の仮定は、リチウムイオンがMOF細孔に部分的に脱水され、MOF結晶のナノ結晶ギャップを非常に迅速に透過することです。このメカニズムは、MOFのリチウムイオンとの内部相互作用が良好であり、少なくとも部分的に脱水されることを意味します。イオン、「フリーマンは付け加えた。現在、MOF膜は実験室規模で実証されていますが、UTグループは、この技術をCSIROによって確立された連続フロープロセスに適合させて、より多くのMOFを製造するよう取り組んでいます。チームは、この技術はリチウムに限定されず、MOFを淡水化の目的で使用したり、飲料水からフッ化物を除去したり、農業流出物から硝酸塩を除去したりするなど、一価の陰イオンに選択的に浸透するように調整できると考えています。リティハム回収における膜の適用の詳細については、CPIでの拡張膜の適用範囲を参照してください。

自宅に近いコバルトの購入

LIBの製造能力の増加は、コバルトの供給に独特の圧力をもたらしました。コバルトは、政治的に不安定な地域だけでなく、主にニッケルや銅の鉱山の副産物として採掘されているため、その経済はこれらの市場のニーズと密接に関連しています。 Fortune MinimalsLtd ..（ロンドン、オンタリオ、カナダ、www.fortunemanerals.com）は、需要を満たすための新しい主要なコバルトの必要性を認識し、北米で大規模なコバルトプロジェクトを実施しています。 Fortune Minesプロジェクトには、カナダのノースウェスト準州の大規模な鉱床でのコバルト、金、ビスマス、銅の採掘と、鉱山からの金属精鉱を処理するサスカチュワン州の処理金属精製所が含まれます。 「このプロジェクトは基本的に、北米に垂直統合されたサプライチェーンの透明性ソースを持つことでサプライチェーンのリスクを軽減しています」とフォーチュンマインズの社長兼最高経営責任者であるロビンゴードは説明します。このプロジェクトは、実現可能性とフロントエンドエンジニアリング（FEED）の調査を実施しており、グループは現在、30％の生産性向上を検討するための新しい実現可能性調査を完了しています。 Goad氏は次のように述べています。「私たちの目標は、自動車業界でNCAおよびNMCバッテリーに推奨される材料である硫酸コバルト七水和物を毎年約7,000トン生産することです。

サスカチュワン工場は、ビスマスから鉱山の金属精鉱の処理を開始します。ビスマス処理装置では、二次浮選工程で金を含む硫化コバルト精鉱が生成され、コバルト処理装置に送られます（図6）。ここでは、コバルト精鉱をオートクレーブ内で180°Cの高圧酸に浸します。 「硫化コバルトは発熱反応で溶液に溶解します。硫化鉱物は溶解中に酸を生成するため、酸が消費されることはめったにありません」とGoad氏は説明しました。次に、金が回収されて別のプロセスユニットに送られ、コバルト材料が中和され、不純物（鉄、銅、および最も重要なヒ素）が沈殿して、比較的純粋なコバルトの流れが生成されます。 「ヒ素の不純物を取り除き、溶液中の過剰な鉄を使用してヒ素鉄に変換します。有毒であったヒ素は現在、無害で安定した状態にあり、プロジェクトサイトで安全に埋め立てることができます」とGoad氏は付け加えました。多くの新しいコバルト生産はヒ素ベースであり、ヒ素含有化合物の輸出には制限があるため、このヒ素変換ステップは、プラントが他の鉱山からの金属を処理するために特に重要です。 Goad氏は次のように述べています。「自社の鉱山からの精鉱を処理することに加えて、製油所は北米の他のコバルトプロジェクトからの精鉱をうまく処理できると信じています。フォーチュン鉱山は、プラントが2019年初頭に建設を開始することを期待しています。デバッグと商業運転ゴード氏は、「長期的な事業計画は、残留物の除去、バッテリーのスクラップまたはスクラップ、金属のリサイクルが可能なものになるため、リサイクルに多様化することです」と述べ、確立する必要性を強調しました。大規模なリサイクルが発生する前に、これらの廃棄物の流れをサポートするための収集ポイントのインフラストラクチャ。

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