(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】P2024173732
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】リチウムイオン電池の製造から生じる廃棄物を再生利用する方法
(51)【国際特許分類】
H01M 10/54 20060101AFI20241205BHJP
【FI】
H01M10/54
【審査請求】有
【請求項の数】10
【出願形態】OL
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024082520
(22)【出願日】2024-05-21
(31)【優先権主張番号】10 2023 205 153.2
(32)【優先日】2023-06-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(71)【出願人】
【識別番号】591037096
【氏名又は名称】フオルクスワーゲン・アクチエンゲゼルシヤフト
【氏名又は名称原語表記】VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT
(74)【代理人】
【識別番号】100069556
【弁理士】
【氏名又は名称】江崎 光史
(74)【代理人】
【識別番号】100111486
【弁理士】
【氏名又は名称】鍛冶澤 實
(74)【代理人】
【識別番号】100191835
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 真介
(74)【代理人】
【識別番号】100221981
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 大成
(74)【代理人】
【識別番号】100191938
【弁理士】
【氏名又は名称】高原 昭典
(72)【発明者】
【氏名】カリーナ・アムブロック
(72)【発明者】
【氏名】ミリアム・クンツェ
(72)【発明者】
【氏名】フィリップ・タイヒャート
(72)【発明者】
【氏名】イェシカ・マリア・ヒュスカー
【テーマコード(参考)】
5H031
【Fターム(参考)】
5H031AA00
5H031BB00
5H031BB02
5H031BB03
5H031EE01
5H031HH06
5H031RR02
(57)【要約】 (修正有)
【課題】リチウムイオン電池用の電極の製造から生じる廃棄物を再生利用する方法を提供する。
【解決手段】方法は、電極活物質6で被覆されている金属材料4からなる箔を備える材料ストリップ製造時に発生する材料ストリップの断片2である廃棄物を、再生利用するために分別して回収する。電極活物質6が塗布されている箔片を備える各断片2を再生利用するために、箔部分から電極活物質6を剥離するために断片2に熱処理を施す。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
リチウムイオン電池用の電極の製造時に発生する廃棄物を再生利用する方法において、
当該方法は、
製造時に材料ストリップが製造され、
各材料ストリップは、電極活物質(6)で被覆されている金属材料(4)からなる箔を備え、
製造時に材料ストリップの断片(2)が廃棄物として発生し、そして再生利用するために分別して回収され、
各断片(2)は、電極活物質(6)が塗布されている箔片を備え、そして
再生利用するために、箔部分から電極活物質(6)を剥離するために断片(2)に熱処理が施される、
ことを特徴とする方法。
【請求項2】
金属材料(4)および電極材料(6)は異なる熱膨張特性を有し、熱処理は剥離するために異なる熱膨張特性が使用されるように行われる、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
断片(2)は熱処理中に室温から熱処理温度まで加熱される、請求項1又は2に記載の方法。
【請求項4】
液体窒素は室温で熱処理するために断片(2)に適用される、請求項1又は2に記載の方法。
【請求項5】
再生利用するために、電極活物質(6)はガス流を用いて箔片から分離される、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
再生利用するために、電極活物質(6)は箔片からブラシで取り除かれる、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
熱処理は、断片(2)がクランプされるロールツーロールプロセスで行われる、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
再生利用するために、剥離された電極活物質(6)が粉砕される、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
再生利用するために、剥離された電極活物質(6)が溶媒中で粉砕される、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
再生利用するために、粉砕された電極活物質(6)が電極活物質の懸濁液の成分として使用される、請求項8又は9に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リチウムイオン電池用の電極の製造中に発生する廃棄物を再生利用する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、リチウムイオン電池は広く利用されている。それらは、とりわけ自動車に使用され、例えば、いわゆる駆動バッテリーとして、すなわち電気駆動機械に供給するためのエネルギー貯蔵装置として使用される。
【0003】
この場合、用途に応じて、リチウムイオン電池は1つ以上の電池セルを備え、各電池セルは、通常、正極、負極、セパレータおよび電解質を基本的な構成要素として備える。正確な構造に関しては、様々な実施形態が知られている。
【0004】
例えば、リチウムイオン電池の製造は、非特許文献1に概略が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Heimes, Heiner Hans; Kampker, Achim; Lienemann, Christoph; Locke, Marc; Offermanns, Christian; Michaelis, Sarah; Rahimzei, Ehsan (2018): Produktionsprozess einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, Frankfurt am Main, PEM der RWTH Aachen und VDMA Eigendruck
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の課題は、リチウムイオン電池の製造から生じる廃棄物を再生利用する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
この課題は、特許請求項1の特徴を備える装置によって解決される。本発明の実用的な発展形態を備える有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。
【0008】
この場合、本発明による方法は、リチウムイオン電池用の電極の製造中に生じる廃棄物を再生利用するために役立つ。したがって、この方法は、再生利用方法である。
【0009】
これに関して、リチウムイオン電池用の電極を製造する方法、すなわち製造方法は、基本的に公知である。この場合、先ず、材料ストリップが製造され、次に、切断としても知られる分離プロセスによって、これらの材料ストリップから電極が切り出される。そのような製造方法は、非特許文献1に概略が記載されている。
【0010】
電極の製造中に、材料ストリップの断片、すなわち廃棄物片を含む廃棄物も生じる。対応する材料ストリップは、金属材料、例えば銅箔またはアルミニウム箔からなる箔を有するストリップ材料である。この場合、箔は、少なくとも片面が活性材料、すなわち、いわゆる電極活物質で被覆される。さらに、前述の廃棄物片のそれぞれは、電極活物質が適用される箔片を有する。
【0011】
これらの廃棄物片、または短い断片は、再生利用方法中に別々に収集される。すなわち、断片が他の廃棄物とは別に収集され、その結果、廃棄物がいわば単一の廃棄物として分別されることを企図する。したがって、本出願の目的のために、廃棄物は、断片によって形成され、場合によっては、電極活物質を含まない箔片および/または箔片を含まない電極活物質によって形成される。
【0012】
このようにして収集された廃棄物は、最終的に、再生利用方法中に熱処理を施され、それによって、電極活物質は、廃棄物片中の箔片から分離される。
【0013】
前述の断片、すなわち、電極の製造中に廃棄物として生じる廃棄物片は、典型的には3つの型、即ちストリップ型、セクション型、および切りくず型に分けることができる。用途に応じて、再生利用方法は、ただ1つの型の廃棄物片、2つの型の廃棄物片、特にストリップ型およびセクション型、または3つ全ての型の廃棄物片に適用される。
【0014】
再生利用方法が、少なくとも2つの型の廃棄物片に適用される場合、方法の少なくとも1つの実施形態に従って更に断片の収集、そして型ごとの熱処理が実行される。この場合、切りくず型の廃棄物片が他の廃棄物片とは別に収集され、熱処理される変形例が特に好ましい。
【0015】
ストリップ型の断片は、材料ストリップの全断片、すなわち、例えば電極活物質のコーティングが品質要件に適合しないために取り除かれた完全な材料ストリップである。そのような断片は、典型的には、100m以上、特に1000m以上の長さを有する。
【0016】
セクション型の断片は、例えば、このセクションにおける電極活物質のコーティングが品質要件に適合しないために、または箔が裂けたために、材料ストリップから切り取られた材料ストリップのセクションである。セクション型はまた、典型的には、始動材料または出発材料と呼ばれる材料ストリップのセクションを含む。そのような断片は、典型的には、5m以上、特に20m以上の長さを有する。
【0017】
切りくず型の断片は、前述の分離プロセスの内の1つ、すなわち切断から切りくずとして残る材料ストラップの断片である。
【0018】
どの型の廃棄物片が再生利用方法を用いて利用されるか、またはどの型の廃棄物片が再生利用方法を用いて利用されるかにかかわらず、再生利用方法の実行中に熱処理が行われ、その熱処理によって、電極活物質が廃棄物片中の箔片から剥離される。これについてはすでに説明した。
【0019】
この場合、好ましくは、再生利用方法が、箔片および電極活物質の金属材料が異なる熱膨張特性、特に異なる線膨張係数を有する廃棄物片に適用される。この場合、異なる熱膨張特性、特に異なる線膨張係数が、箔片から電極活物質を剥離するために利用される。
【0020】
さらに好ましくは、再生利用方法は、箔片の金属材料が線膨張係数α1を有し、電極活物質が線膨張係数α2を有し、少なくとも室温で、α1=f*α2またはα2=f*α1である廃棄物片に適用され、その際、係数fは1.2以上、特に1.5以上である。
【0021】
場合によっては、廃棄物片の熱処理は、室温から始まり熱処理温度TWに加熱されるようにさらに行われる。この場合、加熱するために、好ましくは、電極の製造中、すなわち製造方法中に発生する廃熱が使用される。これに関わらず、熱処理温度TWは、典型的には100℃~300℃の範囲、特に200℃~300℃の範囲である。
【0022】
さらに、場合によっては、熱処理が特別な周囲の条件下で実施され、これらの場合、廃棄物片が周囲の空気に曝露されないことが有用である。その代わりに、熱処理は、例えば、保護ガス雰囲気下または真空条件下で行われる。
【0023】
用途に応じて、廃棄物片は、室温から始まり熱処理温度TWにさらに加熱され、時間tにわたって、例えば、2分以上、5分以上、10分以上、または20分以上の時間tにわたって、熱処理温度TWに維持される。
【0024】
少なくとも1つの実施形態の変形例によれば、熱処理温度TWへの加熱は、1℃/s以下または0.5℃/s以下の加熱速度で行われる。
【0025】
代替的な実施形態によれば、熱処理は、液体窒素が室温で廃棄物片に適用されることによって行われる。
【0026】
再生利用方法の実施中に、電極活物質が、少なくとも1つのガス流、例えば空気ジェットを用いて箔部分から分離されると、さらに有利である。
【0027】
電極活物質は、箔部分がブラシで取り除かれる、又は取り除かれることによって、当該箔部分から分離されるという再生利用方法の実施形態も有用である。
【0028】
特に、再生利用方法がストリップ型および/またはセクション型の廃棄物片に適用される場合、各廃棄物片の熱処理がロールツーロールプロセスで行われ、その後、ロールツーロールプロセスのために対応する廃棄物片が事前にクランプされる場合も有利である。
【0029】
有利な更なる発展形態では、このようにして金属材料から箔、すなわち被覆されていない箔が回収され、この箔は、好ましくは、その後、電極活物質で再び被覆されることによって、電極を製造するために再び使用される。
【0030】
再生利用方法が、切りくず型の廃棄物片に適用される場合、熱処理の前に廃棄物片が破砕され、特に細断される変形例が有用である。この場合も、再生利用方法のさらなる実施の過程において、電極活物質が、少なくとも1つのガス流、例えば空気ジェットを用いて、箔部分から分離されると、さらに有利である。
【0031】
これとは無関係に、少なくともいくつかの適用例において、剥離されかつ分離された電極活物質は、再生利用方法のさらなるステップにおいて粉砕される。典型的には、電極活物質は、溶媒と混合され、溶媒中で粉砕される。
【0032】
有利な更なる発展形態では、粉砕された電極活物質が、電極活物質の懸濁液のための構成要素として、再生利用方法の更なるステップにおいて使用される。次に、この電極活物質の懸濁液が、電極を製造するために再び使用される。
【0033】
廃棄物片の熱処理によって電極活物質から取り除かれた箔片も、便宜上再利用される。この場合、ストリップ型の箔片は、好ましくは、コーティングプロセスに再び供給される。これは、好ましくは、セクション型の箔片にも相当する。その際、これらのセクション型の箔片は典型的に、中間処理プロセスにおいて前もって、例えば、いわゆるスプライス技術によって、より大きな断片をつなぎ合わせる。切りくず型の箔片と、直接再利用することができない他の型の箔片とが、典型的には、金属再生利用に供給される。
【0034】
本発明のさらなる利点、特徴、および詳細は、特許請求の範囲、以下の好ましい実施形態の説明、および概略図から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【
図1】リチウムイオン電池用の電極の製造中に発生する廃棄物を再生利用するための第1のステーションを側面図で示す。
【
図2】リチウムイオン電池用の電極の製造中に発生する廃棄物を再生利用するための第2のステーションを側面図で示す。
【発明を実施するための形態】
【0036】
すべての図において、対応する部分には同じ参照番号が付されている。
【0037】
リチウムイオン電池用の電極の製造中に生じる廃棄物を再生利用するために、一例として以下に記載される方法が使用される。この廃棄物は、材料ストリップの断片2、すなわち廃棄物片を含む。
【0038】
対応する材料ストリップは、金属材料4からなる箔、例えば銅箔又はアルミニウム箔を有するストリップ材料である。この場合、箔は、少なくとも一方の面に活物質、すなわち、いわゆる電極活物質6でコーティングされる。そして、前述の廃棄物片又は断片2は、電極活物質6が塗布された箔片を有している。
【0039】
ここで、断片は、方法過程中に別々に収集される。すなわち、断片2は、他の廃棄物とは別に収集され、その結果、廃棄物がいわば単一の廃棄物として分類されることを企図する。次いで、このようにして収集された廃棄物は熱処理を施され、それによって、電極活物質6が、断片2における金属材料4から剥離される。
【0040】
この実施例では、 断片2の3つの型、即ちストリップ型、セクション型、および切りくず型に識別することができる。ストリップ型およびセクション型の断片2は収集され、
図1に示されている熱処理のための第1のステーション8に供給される。切りくず型の断片2は、残りの断片2とは別に収集され、
図2に概略が記載されている熱処理のための第2のステーション10に供給される。
【0041】
ストリップ型の断片2は、材料ストリップの全断片、すなわち、例えば電極活物質6のコーティングが品質要件に適合しないために取り除かれた完全な材料ストリップである。そのような断片2は、典型的には、100m以上、特に1000m以上の長さを有する。
【0042】
セクション型の断片2は、例えば、このセクションにおける電極活物質6のコーティングが品質要件に適合しないために、または箔が裂けたために、材料ストリップから切り取られた材料ストリップのセクションである。セクション型はまた、典型的には、始動材料または出発材料と呼ばれる材料ストリップのセクションを含む。そのような断片2は、典型的には、5m以上、特に20m以上の長さを有する。
【0043】
切りくず型の断片2は、切りくずとして残る材料ストラップの断片である。
【0044】
前述のように、全ての断片2は、方法の実施中に熱処理される。この場合、熱処理は、電極活物質6を金属材料4から剥離するために使用する。ここでは、電極活物質6と金属材料4との異なる線膨張係数を利用する。
【0045】
実施例において、断片2の熱処理は、室温から始まり熱処理温度TWに加熱されるように行われる。この目的のために、ステーション8、10の各々は、加熱ユニット12を有する。この場合、熱処理温度TWは、典型的には100℃~300℃の範囲、特に200℃~300℃の範囲である。
【0046】
さらに、剥離後、電極活物質6と金属材料4とを分離する。この目的のために、第1のステーション8の場合では、ガス流、例えば空気ジェットが使用される。したがって、第1のステーション8は、電極活物質6が収集容器14内に搬送される送風機13を有する。
【0047】
これに対して、第2のステーション10の場合、分離するために、振動スクリーンとコンベヤベルトとの組み合わせである振動ユニット16が使用される。この場合、次いで、電極活物質6は第1の収集容器18内に到達し、金属材料4は第2の収集容器20内に到達する。
【0048】
さらに、ストリップ型およびセクション型の断片2の熱処理はロールツーロールプロセスで行われ、そのために、対応する断片の各々が事前にクランプされる。これが
図1に示されている。このようにして、金属材料4からなる箔、すなわちコーティングされていない箔が回収され、この箔は、好ましくは、電極活物質6で再びコーティングされることによって、電極を製造するために再び使用される。
【0049】
切りくず型の断片2の熱処理は、ロールツーロールプロセスでは行われない。ここでは代わりに、断片2が、熱処理の前に破砕される。この目的のために、第2のステーション10は、シュレッダー18を有する。その後、シュレッダー18で破砕された廃棄物はコンベヤベルト20に落下し、コンベヤベルト20上に載置されたまま、加熱ユニット12を用いて熱処理され、その後、振動ユニット16に落下する。
【符号の説明】
【0050】
2 断片
4 金属材料
6 電極活物質
8 第1のステーション
10 第2のステーション
12 加熱ユニット
13 送風機
14 収集容器
16 振動ユニット
18 第1の収集容器
20 第2の収集容器
22 シュレッダー
24 コンベヤベルト
【手続補正書】
【提出日】2024-06-20
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0049
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0049】
切りくず型の断片2の熱処理は、ロールツーロールプロセスでは行われない。ここでは代わりに、断片2が、熱処理の前に破砕される。この目的のために、第2のステーション10は、シュレッダー18を有する。その後、シュレッダー18で破砕された廃棄物はコンベヤベルト20に落下し、コンベヤベルト20上に載置されたまま、加熱ユニット12を用いて熱処理され、その後、振動ユニット16に落下する。
なお、本願は、特許請求の範囲に記載の発明に関するものであるが、他の観点として以下も含む。
1.
リチウムイオン電池用の電極の製造時に発生する廃棄物を再生利用する方法において、
当該方法は、
製造時に材料ストリップが製造され、
各材料ストリップは、電極活物質(6)で被覆されている金属材料(4)からなる箔を備え、
製造時に材料ストリップの断片(2)が廃棄物として発生し、そして再生利用するために分別して回収され、
各断片(2)は、電極活物質(6)が塗布されている箔片を備え、そして
再生利用するために、箔部分から電極活物質(6)を剥離するために断片(2)に熱処理が施される、
ことを特徴とする方法。
2.
金属材料(4)および電極材料(6)は異なる熱膨張特性を有し、熱処理は剥離するために異なる熱膨張特性が使用されるように行われる、上記1に記載の方法。
3.
断片(2)は熱処理中に室温から熱処理温度まで加熱される、上記1又は2に記載の方法。
4.
液体窒素は室温で熱処理するために断片(2)に適用される、上記1又は2に記載の方法。
5.
再生利用するために、電極活物質(6)はガス流を用いて箔片から分離される、上記1~4のいずれか一つに記載の方法。
6.
再生利用するために、電極活物質(6)は箔片からブラシで取り除かれる、上記1~5のいずれか一つに記載の方法。
7.
熱処理は、断片(2)がクランプされるロールツーロールプロセスで行われる、上記1~6のいずれか一つに記載の方法。
8.
再生利用するために、剥離された電極活物質(6)が粉砕される、上記1~7のいずれか一つに記載の方法。
9.
再生利用するために、剥離された電極活物質(6)が溶媒中で粉砕される、上記1~7のいずれか一つに記載の方法。
10.
再生利用するために、粉砕された電極活物質(6)が電極活物質の懸濁液の成分として使用される、上記8又は9に記載の方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
リチウムイオン電池用の電極の製造時に発生する廃棄物を再生利用する方法において、
当該方法は、
製造時に材料ストリップが製造され、
各材料ストリップは、電極活物質(6)で被覆されている金属材料(4)からなる箔を備え、
製造時に材料ストリップの断片(2)が廃棄物として発生し、そして再生利用するために分別して回収され、
各断片(2)は、電極活物質(6)が塗布されている箔片を備え、そして
再生利用するために、箔部分から電極活物質(6)を剥離するために断片(2)に熱処理が施される、
ことを特徴とする方法。
【請求項2】
金属材料(4)および電極材料(6)は異なる熱膨張特性を有し、熱処理は剥離するために異なる熱膨張特性が使用されるように行われる、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
断片(2)は熱処理中に室温から熱処理温度まで加熱される、請求項1又は2に記載の方法。
【請求項4】
液体窒素は室温で熱処理するために断片(2)に適用される、請求項1又は2に記載の方法。
【請求項5】
再生利用するために、電極活物質(6)はガス流を用いて箔片から分離される、請求項1又は2に記載の方法。
【請求項6】
再生利用するために、電極活物質(6)は箔片からブラシで取り除かれる、請求項1又は2に記載の方法。
【請求項7】
熱処理は、断片(2)がクランプされるロールツーロールプロセスで行われる、請求項1又は2に記載の方法。
【請求項8】
再生利用するために、剥離された電極活物質(6)が粉砕される、請求項1に記載の方法。
【請求項9】
再生利用するために、剥離された電極活物質(6)が溶媒中で粉砕される、請求項1に記載の方法。
【請求項10】
再生利用するために、粉砕された電極活物質(6)が電極活物質の懸濁液の成分として使用される、請求項8又は9に記載の方法。
【外国語明細書】