特開 2024-140716 電池の処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024140716

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】電池の処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/54 20060101AFI20241003BHJP

【ＦＩ】

H01M10/54

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023052017

(22)【出願日】2023-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001081

【氏名又は名称】弁理士法人クシブチ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】坂田 幸之

(72)【発明者】

【氏名】藤永 悠志

(72)【発明者】

【氏名】空澤 光将

(72)【発明者】

【氏名】松田 英樹

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 賢

(72)【発明者】

【氏名】清水 良

【テーマコード（参考）】

5H031

【Ｆターム（参考）】

5H031AA00

5H031BB07

5H031BB09

5H031RR02

(57)【要約】

【課題】簡易かつ短時間で積層電極を分離すること。
【解決手段】リチウムイオン電池又は全固体電池のいずれかであり、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された積層電極を有する電池の処理方法において、リチウムの失活化を行った後に、積層電極２１を水没させる水没工程Ｓ３と、積層電極２１に電気パルスを印可して積層電極２１を分離させる分離工程Ｓ４と、を行う。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リチウムイオン電池又は全固体電池のいずれかであり、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された積層電極を有する電池の処理方法において、
リチウムの失活化を行った後に、前記積層電極を水没させる水没工程と、
前記積層電極に電気パルスを印可して前記積層電極を分離させる分離工程と、
を有する電池の処理方法。

【請求項2】

前記分離工程は、前記積層電極の極板同士を導通状態にした後、前記積層電極に電気パルスを印可する、
請求項１に記載の電池の処理方法。

【請求項3】

前記分離工程は、前記積層電極に所定の導通部材を貫通させることによって、前記積層電極の極板同士を導通状態にする、
請求項２に記載の電池の処理方法。

【請求項4】

前記電池は、前記正極板が接続される正極側の集電タブと、前記負極板が接続される負極側の集電タブとを有し、前記負極側の集電タブが、前記積層電極を挟んで前記正極側の集電タブの反対側に配置される電池であり、
前記積層電極のうち、前記負極側の集電タブ寄りの領域に前記導通部材を貫通させ、前記正極側及び負極側の集電タブを介して前記積層電極に電気パルスを印可する、
請求項３に記載の電池の処理方法。

【請求項5】

前記電池は、前記積層電極をラミネート材で覆い、かつ、前記ラミネート材の外部に一対の集電タブが露出するラミネート型であり、
前記一対の集電タブを利用して、前記電気パルスを前記積層電極に印可する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の電池の処理方法。

【請求項6】

前記電池が電解液を有する場合、
電解液の除去、及び、リチウムの失活化と電解質除去とを行った後に、前記水没工程を行う、
請求項１から４のいずれか一項に記載の電池の処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電池の処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

リチウムイオン電池や全固体電池には、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された積層電極を備えるものがある。この種の電池の正極合材には、ニッケル系、コバルト系、及びマンガン系からなる三元系正極材料（ＮＣＭ）が用いられている。電池の廃棄時には、ＮＣＭ等の有価金属を回収することが望まれる。
電池を破砕して有価金属等を回収する方法は、電池解体物が細粒化されるため、手間や時間がかかってしまう。破砕以外の方法として、ラミネートフィルムからなる外装体を取り外した後、積層電極を水没させ、積層電極と水との間に相対動を与えて正極板と負極板とを剥離状態にする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第７１２０１５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、相対動によって剥離する方法は時間がかかってしまう。また、水中のワークの向き等によっては分離されない部分が発生する可能性がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、簡易かつ短時間で積層電極を分離することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

リチウムイオン電池又は全固体電池のいずれかであり、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された積層電極を有する電池の処理方法において、リチウムの失活化を行った後に、前記積層電極を水没させる水没工程と、前記積層電極に電気パルスを印可して前記積層電極を分離させる分離工程と、を有する電池の処理方法を提供する。

【発明の効果】

【0006】

簡易かつ短時間で積層電極を分離することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の電池の処理方法を適用可能な対象電池を模式的に示す図である。

【図2】対象電池の処理方法の各工程を示す図である。

【図3】対象電池が全固定電池の場合における失活・水没工程の前後の状態を模式的に示す図である。

【図4】分離工程の説明に供する図である。

【図5】分離工程で電気パルスを印可する状態を模式的に示す図である。

【図6】分離工程で電気パルスを印可する状態の別例を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

【0009】

［実施形態］
図１は、本発明の電池の処理方法を適用可能な電池（以下、対象電池と表記する）を模式的に示す図である。
対象電池１０は、リチウムイオン電池、又は全固体電池等の二次電池であり、ラミネート型に構成されている。
対象電池１０は、正極板１１と負極板１２とがセパレータ１３を介して積層された多層体からなる積層電極２１を有する。積層電極２１は、外装体を構成するラミネート材２２で覆われ、ラミネート材２２からは一対の集電タブ２３Ａ、２３Ｂが外部に露出する。

【0010】

この対象電池１０は、パウチ型の電池、ラミネート型の電池セル、パウチ型の電池セル、リチウムイオン電池セル、及び、電池モジュール等と言うことができる。
対象電池１０は、高エネルギー密度を有する蓄電デバイスとして注目される電池であり、今後の更なる普及が予測される。また、対象電池１０は、ニッケル系、コバルト系、及びマンガン系からなる三元系正極材料（ＮＣＭ）等の有価金属を含むので、電池廃棄時に有価金属等を回収することが望まれる。

【0011】

対象電池１０の構成について更に説明する。
図１に示すように、正極板１１と負極板１２とは交互に配置され、正極板１１と負極板１２とからなる一対の極板群が複数対設けられる。
各正極板１１は、矩形板状の正極集電体３１を備え、正極集電体３１の両面に、ＮＣＭを含む正極合材３２が設けられる。正極集電体３１は、例えば、アルミニウム箔又はアルミニウム板である。正極合材３２は、例えば、ニッケル酸リチウムやコバルト酸リチウム等の正極活物質、導電材、導電材剤、及びバインダー等である。各正極板１１からは正極端子１１Ａがそれぞれ延出し、各正極端子１１Ａは正極側の集電タブ２３Ａに接続される。

【0012】

各負極板１２は、矩形板状の負極集電体４１を備え、正極板１１と対向する面に負極合材４２を有する。各負極板１２からは負極端子１２Ａがそれぞれ延出し、各負極端子１２Ａは負極側の集電タブ２３Ｂに接続される。
一対の集電タブ２３Ａ，２３Ｂは、銅、又はアルミニウム等の薄板状の金属材で形成され、外装体を構成する２枚のラミネート材２２の間を通って外部に露出する。
ラミネート材２２は、例えば、アルミニウム合金やステンレス鋼等の金属材を基材とするラミネートフィルムであり、所定の強度を有する外装体、及び、積層電極２１を封止する封止体として機能する。

【0013】

セパレータ１３は、正極板１１と負極板１２との間に配置され、正極板１１と負極板１２の短絡を防止する。対象電池１０がリチウムイオン電池の場合、対象電池１０の内部、つまり、ラミネート材２２内には電解液が充填される。
これに対し、対象電池１０が全固体電池の場合、ラミネート材２２内には電解液がなく、正極板１１と負極板１２との間に固体電解質が設けられる。この固体電解質はセパレータ１３を兼用する。

【0014】

電解液、及び固体電解質の電解質としては、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）などのリチウム塩化合物が使用される。なお、対象電池１０の各構成は、上記構成に限定されず、従来のラミネート型電池の構成を適用可能である。

【0015】

次に、ＮＣＭ等の有価金属の取り出しに好適な対象電池１０の処理方法について説明する。
図２は、対象電池１０の処理方法の各工程を示す図である。図３乃至図５は、各工程の状態を模式的に示す図である。
図２に示すように、対象電池１０の処理方法は、切開工程Ｓ１、失活工程Ｓ２、水没工程Ｓ３、及び分離工程Ｓ４からなる。
切開工程Ｓ１では、外装体を構成するラミネート材２２の一部を切開し、外部から積層電極２１へアクセス可能な状態にする。対象電池１０がリチウムイオン電池の場合、切開した箇所から電解液を排出する。

【0016】

失活工程Ｓ２では、水没やシャワーといった公知の方法を利用して、積層電極２１等に含まれるリチウムの一部を水酸化リチウム等のリチウム化合物に変化させ、水に溶けやすい物質にする。硫化水素が発生する場合には吸気と中和処理を行うことが必要である。水没工程Ｓ３では、積層電極２１を水に浸漬させることによって、水溶性の水酸化リチウムや固体電解質等を水に溶かす。

【0017】

図３には、対象電池１０が全固定電池の場合における失活・水没工程Ｓ２，Ｓ３の前後の状態を模式的に示している。図３に示すように、失活・水没工程Ｓ２，Ｓ３によって、固体電解質や単体リチウムの少なくとも一部を分離できるので、充放電反応を抑制できる。続く分離工程Ｓ４では、積層電極２１に電気パルスを印可して積層電極２１を分離させる。

【0018】

ここで、図３に示すように、積層電極２１及びその周囲は疎の状態になるので、積層電極２１の連続性が失われ、積層電極２１は通電しない可能性が生じる。そのため、分離工程Ｓ４では、電気パルスの印可前に、図４に示すように、積層電極２１に、所定の導通部材５１を貫通させることによって、積層電極２１の極板１１，１２同士を導通させる工程、つまり、極板１１，１２同士を短絡させる工程が実施される。

【0019】

図４には、所定の導通部材５１として、先端が尖った金属製の棒材を採用し、複数の導通部材５１を、極板１１，１２の長手方向に間隔を空けて、ラミネート材２２の外部から積層電極２１に貫通させた場合を例示している。これにより、積層電極２１をラミネート材２２で覆った状態で、簡易かつ短時間で極板１１，１２同士を導通させることができる。また、複数箇所で板１１，１２同士を導通させるので、極板１１，１２同士を短絡させるのに好適な導通経路を形成できる。
なお、導通部材５１とラミネート材２２とが導通しないように、導通部材５１とラミネート材２２とを物理的に離間させる隙間Ｓ等を設けることが好ましい。

【0020】

図５には、分離工程Ｓ４で電気パルスを印可する状態を模式的に示している。
図５に示すように、対象電池１０の一対の集電タブ２３Ａ、２３Ｂに電気パルス印可装置５５が接続される。電気パルス印可装置５５は、一対の集電タブ２３Ａ、２３Ｂ間に高圧の電気パルスを印可することによって、積層電極２１の各極板１１，１２に電気パルスを印可する。電気パルスによりジュール熱が発生し、ジュール熱で各部が溶解することによって積層電極２１の極板１１，１２及び残留物を分離できる。この場合、抵抗の高い正極合材３２の箇所が高温になりやすいので、残留する正極合材３２を分離し易くなる。
このように、一対の集電タブ２３Ａ、２３Ｂを利用して電気パルスを印可すること、及び、電気パルスを利用することによって、簡易かつ短時間で積層電極２１を分離することができる。

【0021】

ところで、例えば、正極集電体３１にアルミニウム箔が使用され、負極集電体４１に銅箔が使用されている場合、積層電極２１に対し、図４に示すように複数の導通部材５１を貫通させると、通電した際にアルミニウム合金より銅の方が電気伝導性が高いため、銅箔側への通電が大きくなってしまう。そのため、アルミニウム箔への通電量が少なくなり、本来目的とする正極集電体３１の分離効率が低くなってしまうおそれがある。
この場合、図６に示すように、積層電極２１のうち、負極側の集電タブ２３Ｂ寄りの領域に一本の導通部材５１を貫通させ、一対の集電タブ２３Ａ、２３Ｂ間に高圧の電気パルスを印可するようにしてもよい。これにより、電気パルスが、図６に一点鎖線で示す経路を流れる。

【0022】

この電気パルスが流れる経路は、負極集電体４１については、一部（負極側の集電タブ２３Ｂから導通部材５１との間に相当）だけを通電経路にし、正極集電体３１については、大部分（導通部材５１と正極側の集電タブ２３Ａとの間に相当）を通電経路にするものとなる。これにより、負極集電体４１よりも正極集電体３１への通電を多くすることができ、正極集電体３１よりも負極集電体４１の電気伝導性が高い場合でも、正極集電体３１の分離効率を高くすることが可能になる。
つまり、本構成では、負極側の集電タブ２３Ｂが、積層電極２１を挟んで正極側の集電タブ２３Ａの反対側に配置される対象電池１０であり、この対象電池１０の積層電極２１のうち、負極側の集電タブ２３Ｂ寄りの領域に導通部材５１を貫通させ、正極側及び負極側の集電タブ２３Ａ、２３Ｂを介して積層電極２１に電気パルスを印可することにより、負極集電体４１よりも正極集電体３１への通電を多くし、正極集電体３１よりも負極集電体４１の電気伝導性が高い場合でも、正極集電体３１の分離効率を高くすることが可能になる。

【0023】

以上説明したように、本実施の形態では、リチウムの失活化を行った後に、積層電極２１を水没させる水没工程Ｓ３を行うので、リチウムと水分の反応を抑制できるとともに、水溶性を有する水酸化リチウムや固体電解質等を水に溶かすことができる。この水没工程Ｓ３の後、積層電極２１に電気パルスを印可して積層電極２１を分離させる分離工程Ｓ４を行うので、簡易かつ短時間で積層電極２１を分離することができる。
これにより、従来の破砕方法や、相対動によって極板１１，１２を剥離する方法と比べ、簡易かつ短時間で積層電極２１を分離することが可能になる。

【0024】

また、分離工程Ｓ４は、積層電極２１の極板１１，１２同士を導通状態にした後、積層電極２１に電気パルスを印可するので、全ての極板１１，１２に電気パルスを印可でき、積層電極２１を適切に分離し易くなる。

【0025】

また、積層電極２１に所定の導通部材５１を貫通させることによって、積層電極２１の極板１１，１２同士を導通状態にするので、簡易かつ短時間で極板１１，１２同士を導通状態にできる。しかも、積層電極２１のラミネート材２２を取り外すことなく、極板１１，１２同士を導通状態にすることが可能である。
なお、導通部材５１は、図４に示すような先端が尖った金属製の棒材に限定されない。例えば、門型形状の針を積層電極２１に打ち込むステープラー等を利用して、極板１１，１２同士を導通状態にしてもよい。

【0026】

また、図６に示したように、対象電池１０は、負極側の集電タブ２３Ｂが、積層電極２１を挟んで正極側の集電タブ２３Ａの反対側に配置される電池であり、積層電極２１のうち、負極側の集電タブ２３Ｂ寄りの領域に導通部材５１を貫通させ、正極側及び負極側の集電タブ２３Ａ、２３Ｂを介して積層電極２１に電気パルスを印可する。これにより、負極集電体４１よりも正極集電体３１への通電を多くし、正極集電体３１よりも負極集電体４１の電気伝導性が高い場合でも、正極集電体３１の分離効率を高くすることが可能になる。
なお、正極集電体３１の分離効率を十分に確保できる範囲で、導通部材５１の位置や本数等を適宜に変更してもよく、また、図３に示す導通部材５１の配置を採用してもよい。

【0027】

また、対象電池１０は、積層電極２１をラミネート材２２で覆い、かつ、ラミネート材２２の外部に一対の集電タブ２３Ａ、２３Ｂが露出するラミネート型であり、一対の集電タブ２３Ａ、２３Ｂを利用して、電気パルスを積層電極２１に印可する。これにより、電気パルス印可装置５５と積層電極２１との電気的接続を簡易に行うことができる。また、ラミネート材２２を取り外すことなく、積層電極２１へ電気パルスを印可することが可能になる。

【0028】

また、対象電池１０が電解液を有する場合、電解液の除去、及び、リチウムの失活化と電解質除去とを行った後に水没工程Ｓ３を行うので、リチウムと水分の反応を十分に抑制できる。対象電池１０がラミネート型の場合、ラミネート材２２の一部を切開して電解液を排出することにより、電解液の除去作業が容易である。また、電解液の除去後に、処理液（例えば塩水）にラミネート型電池を水没させることにより切開部から処理液がラミネート内に侵入しリチウムの失活化と電解質除去を行うことができ作業が容易である。

【0029】

上記の実施形態は、あくまでも本発明の一実施の態様であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、及び応用が可能である。
例えば、上記の実施形態では、ラミネート材２２を取り外すことなく、失活工程Ｓ２、水没工程Ｓ３、及び分離工程Ｓ４を実施する場合を説明したが、失活工程Ｓ２、水没工程Ｓ３、及び分離工程Ｓ４のいずれかの工程を、ラミネート材２２を取り外して行うようにしてもよい。

【0030】

また、上記の実施形態では、積層電極２１に導通部材５１を貫通させることによって、極板１１，１２同士を導通状態にする場合を例示したが、極板１１，１２同士を導通状態にする任意の方法を適用してもよい。例えば、貫通させない導通部材によって、極板１１，１２同士を導通状態にしてもよい。

【0031】

また、上記の実施形態では、ラミネート型のリチウムイオン電池、及び、ラミネート型の全固体電池に本発明の電池の処理方法を適用する場合を説明したが、これに限定されない。つまり、本発明の電池の処理方法を、ラミネート型以外のリチウムイオン電池、及び、全固体電池に適用してもよい。

【0032】

［上記実施の形態によりサポートされる構成］
上記実施の形態は、以下の構成をサポートする。

【0033】

（構成１）リチウムイオン電池又は全固体電池のいずれかであり、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された積層電極を有する電池の処理方法において、リチウムの失活化を行った後に、前記積層電極を水没させる水没工程と、前記積層電極に電気パルスを印可して前記積層電極を分離させる分離工程と、を有する電池の処理方法。
この方法によれば、簡易かつ短時間で積層電極を分離することができる。

【0034】

（構成２）前記分離工程は、前記積層電極の極板同士を導通状態にした後、前記積層電極に電気パルスを印可する、構成１に記載の電池の処理方法。
この方法によれば、全ての極板に電気パルスを印可でき、積層電極を適切に分離し易くなる。

【0035】

（構成３）前記積層電極に所定の導通部材を貫通させることによって、前記積層電極の極板同士を導通状態にする、構成２に記載の電池の処理方法。
この方法によれば、簡易かつ短時間で極板同士を導通状態にできる。また、積層電極の外装体を取り外すことなく、極板同士を導通状態にすることも可能である。

【0036】

（構成４）前記電池は、前記正極板が接続される正極側の集電タブと、前記負極板が接続される負極側の集電タブとを有し、前記負極側の集電タブが、前記積層電極を挟んで前記正極側の集電タブの反対側に配置される電池であり、前記積層電極のうち、前記負極側の集電タブ寄りの領域に前記導通部材を貫通させ、前記正極側及び負極側の集電タブを介して前記積層電極に電気パルスを印可する、構成３に記載の電池の処理方法。
この方法によれば、負極集電体よりも正極集電体への通電を多くし、正極集電体よりも負極集電体の電気伝導性が高い場合でも、正極集電体の分離効率を高くすることが可能になる。

【0037】

（構成５）前記電池は、前記積層電極をラミネート材で覆い、かつ、前記ラミネート材の外部に一対の集電タブが露出するラミネート型であり、前記一対の集電タブを利用して、前記電気パルスを前記積層電極に印可する、構成１から４のいずれか一項に記載の電池の処理方法。
この方法によれば、電気パルスを印可する装置と積層電極との電気的接続を簡易に行うことができ、かつ、ラミネート材を取り外すことなく、積層電極への電気パルスの印可が可能になる。

【0038】

（構成６）前記電池が電解液を有する場合、電解液の除去、及び、リチウムの失活化と電解質除去とを行った後に、前記水没工程を行う、構成１から４のいずれか一項に記載の電池の処理方法。
この方法によれば、リチウムと水分の反応を十分に抑制できる。また、対象電池がラミネート型の場合、ラミネート材の一部を切開して電解液を排出後に、処理液にラミネート型電池を水没させることにより切開部から処理液がラミネート内に侵入しリチウムの失活化と電解質除去を行うことができ作業が容易である。

【符号の説明】

【0039】

１０…対象電池、１１…正極板、１２…負極板、１３…セパレータ、２１…積層電極、２２…ラミネート材、２２Ａ，２２Ｂ…集電タブ、３１…正極集電体、３２…正極合材、４１…負極集電体、４２…負極合材、５１…導通部材、５５…電気パルス印可装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】