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Jul 21, 2023

使用済みリチウムによる正極の劣化に関する現象学的かつ定量的な見解

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5671 (2023) この記事を引用する 本研究は、リチウムイオン正極箔の腐食の現象学的観察を扱います。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5671 (2023) この記事を引用

本研究は、正極材料として LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) を含むリチウムイオン電池の正極箔の腐食の現象学的観察を扱っています。 水分が存在するため、NMC 表面に局所的な水の蓄積が形成されます。 電解液に吸収された水は、Li+/H+ 交換下で NMC と反応し、その結果として pH が上昇し、キャリアフォイルが溶解し、NMC 表面に特徴的な塩のようなブルー​​ムが発生します。 アルミニウム箔の穴が時間当たりに占める相対面積が増加するにつれて、腐食の程度を定量的に決定するための十分に適切なパラメータが見出されました。 劣化の程度は時間と周囲の湿度によって異なります。 腐食が進行するにつれて箔の機械的安定性が低下するため、ウォータージェット法による機能リサイクルは劣化した箔にはもはや適用できないことが示されました。 SEM-EDX とレーザー誘起分解分光法 (LIBS) を使用して、ブルームからリチウム、アルミニウム、硫黄、酸素が検出されました。 下層の NMC 層には主にアルミニウムが含まれており、劣化していない材料よりもリチウム含有量が大幅に少ないことが判明しました。 SEM およびラマン顕微鏡分析により、活物質も局所的に分解され、そのため機能リサイクルにはもはや適していないことが示されました。

リチウムイオン電池 (LIB) は、ここ数十年で電気エネルギーを貯蔵するための主要な技術となっています。 この技術の応用分野には、スマートフォン、ラップトップ、タブレット、ツールのほか、電動自転車や電気自動車などのモビリティ アプリケーションが含まれます。 LIB はさまざまな設計で製造されています。 これらは、円筒形、角形、またはいわゆるパウチセルとして入手可能です。 例えば、ＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）、ＬｉＭｎＯ２（ＬＭＯ）、ＬｉＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２（ＮＭＣ）、ＬｉＮｉｘＣｏｙＡｌｚＯ２（ＮＣＡ）またはＬｉＦｅＰＯ４（ＬＦＰ）がカソード材料として使用される。 グラファイト、およびますますシリコンまたは Li4Ti5O12 (LTO) がアノード材料として使用されます。 LiPF6 は有機電解質の導電性塩としてよく使用されます。 これは非常に高いイオン伝導性を示し、正極のアルミニウム集電体の不動態化につながります1。

寿命を迎えたリチウムイオン電池は廃棄物ではなく、新しい電池の製造に緊急に必要なすべての要素の重要な原料源です。 工業規模では、乾式冶金、熱および湿式冶金のプロセスステップに基づくプロセスが近年開発されており、その最後には必ずリチウム、ニッケル、マンガン、コバルトからなる正極材料 (NMC) が化学的に分離されます。個々の元素の純粋な塩。 しかし、そのようなプロセスにはかなりの量のエネルギーと非常に異なる試薬が必要です2、3、4、5、6、7、8、9、10、11。

対照的に、これまでに使用されてきたプロセスよりもエネルギーと資源の効率が大幅に高い新しいアプローチが科学の焦点となってきており、文献では直接リサイクル 11 または機能的リサイクル 12 と呼ばれています。 この方法は、形態学的、物理的、化学的特性をほとんど保持しながら、試薬の使用を最小限に抑えて正極材料を回収し、新しい電池セルの製造に直接再使用または再生できるようにすることを目的としています12。

機能リサイクルの原理を工業的に世界で初めて導入したのは、ウォータージェットプロセスによる正極のコーティングです。 このプロセスでは、NMC、導電性カーボンブラック、バインダーからなるコーティングが、高圧ウォータージェットを使用してアルミニウムキャリア箔からゆっくりと除去されます。このコーティングには、必要に応じてさまざまな添加剤を混合できます。 この比較的単純な技術により、このプロセスは他の既知の産業リサイクル プロセスと比較して最も効率的で環境に優しいものになります13。 このプロセスの特別な利点は、回収された NMC リサイクル物の材料品質が高いため、新しい正極を製造するための新しいカソード材料への混合物として直接使用できることです 14。