エネルギー
リチウムイオンのジレンマに対処する：電化が進む世界における廃棄バッテリーセルの処理
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化石燃料を燃焼させることが環境に影響を与えるということは広く知られた事実です。炭素だけでなく、水素、窒素、硫黄も含まれています。燃焼時には、一酸化炭素、二酸化炭素、水に加えて窒素酸化物や硫黄酸化物が放出されます。これらの物質は特に高濃度になると有毒で、健康と安全に深刻な脅威をもたらします。特に二酸化炭素の排出は地球温暖化の主要因であり、化石燃料燃焼が環境に与える影響を強調しています。
化石燃料からの脱却が必要となり、バッテリーの需要が指数関数的に急増しています。この傾向を受けて、研究者は世界のバッテリー市場規模が2021年の1120億米ドルから2030年には4240億米ドルへ成長すると予測しています。市場にはリチウムイオン、亜鉛-二酸化マンガン、鉛酸、ニッケル・金属水素、ニッケル・カドミウム、ナトリウム・硫黄、ニッケル・亜鉛、小型密閉鉛酸、フロー電池など、さまざまなバッテリーカテゴリが含まれます。
しかし、リチウムイオン電池と鉛酸電池がこのバッテリー市場の大部分を占めており、他のカテゴリは長いテールに回されています。
2023年の4240億米ドル規模の市場を見ると、2600億米ドル以上、全バッテリー市場の60%以上がリチウムイオン電池によって占められています。1200億米ドル以上、27%が鉛酸電池です。この二つのカテゴリだけで市場の87%以上を占め、残りの約13%が他のカテゴリの競争対象となります。
これらのバッテリーはどこで使用されているか？
リチウムイオン電池は、携帯電話やノートパソコンなど、私たちの身近にあるほとんどの携帯型消費者電子機器に一般的に使用されています。また、全電動車やプラグインハイブリッド車の大多数でも主要な選択肢となっており、急速に普及しています。
一方、鉛酸電池はリチウムイオン電池ほど効率的ではありません。比エネルギーが低く、低温下での性能が劣り、寿命も短いです。広く使用されているのは主に低コストであるためです。しかし、近年では商用電動車両の付随負荷向けに、先進的な鉛酸電池の開発が進められています。
ニッケル・金属水素電池はコンピュータや医療機器に使用され、ハイブリッド電動車でも重要な役割を果たしています。電子機器の使用が着実に増加し、電動車の市場シェアも継続的に拡大しているため、バッテリーの使用量は必然的に増加する見込みです。
しかし、これらのバッテリーは寿命が限られており、最終的には廃棄が必要です。電化が進む世界において、廃棄バッテリーセルの処理は大きな課題となります。解決策は存在しますが、さらに検討する前に根本原因をより深く検証することが重要です。
バッテリーの寿命：簡潔な概要
バッテリーは容量、使用場所、構成素材により異なります。これらの要素がバッテリーの寿命に影響します。最も一般的なバッテリーカテゴリはリチウムイオンです。そして、電動車はこれらのバッテリーを大規模に使用する代表的な用途です。
電動車が使用するバッテリーは、私たちの携帯電話やノートパソコンに使われるものと類似しています。これらは、他の電気エネルギー貯蔵システムに比べて単位質量・体積あたりのエネルギーが高く、パワー・重量比が高く、エネルギー効率が高く、高温性能が優れ、寿命が長く、自己放電が低いといった多くの利点があります。
電動車のバッテリーは、2000個以上の個別リチウムイオンセルが連携したパックを利用しています。各バッテリーパックは、走行距離で10万マイルから20万マイルの間、充放電性能を維持できるよう設計されています。また、年数で測ると、ほとんどの電動車バッテリーは車内で15〜20年の寿命が期待されています。
廃棄バッテリーセルのリスク
米国環境保護庁（EPA）によると、ほとんどのリチウムイオン電池は資源回復法（RCRA）に基づき有害廃棄物に該当します。廃棄されると、これらの電池はしばしば可燃性で反応性があります。ユーザーには完全に放電され使い捨てできるように見えても、リチウムイオン電池はしばしばかなりの電荷を保持しており、危険をもたらします。
さらに、損傷し完全に密封されていないリチウム電池は、廃棄時に水と接触すると極めて危険です。リチウムイオン電池に含まれる大量の金属成分は除去が困難で環境にも有害であり、懸念をさらに高めます。
科学的評価報告書は、リチウムイオン電池にアルミニウム、コバルト、銅の高濃度が含まれることを指摘しています。さらに、研究により廃棄リチウムイオン電池の有害性は、鉛含有量（平均6.29 mg/L、σ=11.1、限界5）によっても明らかになっています。
カリフォルニア州の規制では、コバルト（平均163,544 mg/kg、σ=62,897、限界8,000）、銅（平均98,694 mg/kg、σ=28,734、限界2,500）、ニッケル（平均9,525 mg/kg、σ=11,438、限界2,000）の過剰レベルが存在すると、すべてのリチウム電池が有害とみなされます。
これらの電池におけるクロム、鉛、タリウムの溶出濃度もカリフォルニア州規制限界を超えています。人間や周囲の生態系に毒性を与えるだけでなく、リチウムイオン電池は資源枯渇も引き起こし、将来にわたる重大な懸念となります。
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廃棄バッテリーセルのリサイクル方法は？
廃棄バッテリーセルの処分がもたらす危険性から、リサイクルが必要です。しかし、廃棄バッテリーのリサイクル自体も危険を伴います。適切でない取り扱いは短絡、燃焼、そして有毒ガスの放出を引き起こす可能性があります。
鍵は効率的なリサイクル手法にあり、これにより汚染防止だけでなく、重要資源の持続可能な二次供給源を創出する機会が得られます。そのような効率的なリチウムイオン電池リサイクル手法の一つが、米エネルギー省のオークリッジ国立図書館（Oak Ridge National Library）の研究者によって考案されました。
この解決策は、使用済みバッテリーを天然に存在するクエン酸（柑橘類に有機的に含まれる）溶液に浸すことです。クエン酸溶液はエチレングリコールに溶解され、混合物はカソード（バッテリーの正極）から金属を分離する高度に効率的な分離・回収プロセスを実現します。
カソードの効率的な回収プロセスは、カソードがバッテリーコストの30%以上を占める重要資材を含むため、バッテリーコストの削減につながります。このリサイクル手法は、システムを不純にすることなく、カソードからほぼすべてのコバルトとリチウムを抽出できます。数時間でコバルトの96%以上を回収可能です。酸度を手動で調整するために追加の化学薬品を加える必要もありません。
プロジェクトの主任研究者である呂宇（Lu Yu）によれば：
「このソリューションシステムが、浸出と回収の両機能をカバーしたのは初めてです。」
このような研究室ベースの取り組みは将来的に量産化が見込まれますが、すでに複数の企業が廃棄されたリチウムイオン電池のリサイクルに取り組んでいます。以下のセグメントでいくつかの企業を見ていきましょう。
1. American Battery Technology Company
American Battery Technology (ABAT ) Companyは、使用可能期間が終了に近いバッテリーから重要材料を分離・回収するクローズドループのバッテリーリサイクルプロセスを開発しました。しかし、同社の取り組みは分離と回収にとどまりません。
このプロセスは、バッテリー金属を同等またはそれ以上の品質基準で精製することを含みます。同社によれば、システムは複数の競争優位性を有しています。戦略的設計により高温操作がゼロとなり、空気や液体の汚染物質排出を防止します。さらに、リサイクル施設は製造施設と同等の処理能力を持ち、廃棄物を最小限に抑え、設置にかかる資本コストも低く抑えられます。
ABAT 価格チャート
同社が公表した2024年財務報告では、収益創出に向けた主要マイルストーンが列挙されています。特に、同社は初の商業規模リサイクル施設を設計・委託・稼働させ、年間2万トンの名目処理能力を誇っています。
同社は契約下で米国エネルギー省（DOE）から2件の助成金を獲得し、最近ではさらに2件の助成金の対象となり、合計7,000万米ドルの連邦資金を受けました。2023年9月21日に株式を上場し、NASDAQで取引を開始しました。
執筆時点で、American Battery Technology Companyの株価は3.99ドルで、時価総額は1億8800万ドルを超えていました。
2. Lithion Technologies
Lithion Technologiesは、リチウムイオン電池から戦略的素材を持続可能に製造しています。同社の技術は、これらの電池の構成要素を最大95%回収することが可能です。
機械的抽出では、Lithionは鉱物濃縮物の98%以上を回収できます。その後、特許取得済みのハイドロメタルルジー技術で重要鉱物濃縮物を処理し、リチウム、コバルト、ニッケル、グラファイト、マンガンといった必須材料の回収を実現します。
注目すべきは、Lithionは自社技術が従来の採鉱に比べて環境影響を大幅に低減すると主張している点です。温室効果ガス排出量は採鉱の75%低く、水使用量も驚異的な90%削減されています。
2022年4月、Lithionは2,250万米ドルの資金提供をケベック州政府から受けました。その内訳は、Investissement Québecを通じた1,500万米ドルの株式投資と、Fonds d’électrification et de changements climatiquesからの750万米ドルの助成金です。
3. Ecobat
Ecobatは、65,000の回収拠点からなる広範なネットワークを通じて、リサイクルエネルギー貯蔵ソリューションの一環として使用済みバッテリーを管理しています。これまでに約15,000の会員・顧客を獲得し、年間1億2,000万本のバッテリーをリサイクルしています。
指定拠点からの回収には、Ecobatは自社の100台の車両を保有しています。11の溶解施設でリチウム電池、鉛電池、その他の電池化学を取り扱い、クローズドループの循環回収プロセスを持ち、回収した80%がバッテリー製造に戻ります。また、リサイクル率は99%を約束しています。
Ecobatは、バッテリー事業をより安全かつ持続可能にし、循環型エネルギー経済のための重要なエネルギー貯蔵ニーズに応える世界最大のバッテリー「リサイクラー」だと主張しています。2021年には、Ecobatの鉛電池リサイクル事業が7,000万本の自動車用バッテリーを完全にリサイクルしました。
4. Cirba Solutions
Cirba Solutionsは、Battery Solutions、Heritage Battery Recycling、Retriev Technologiesという3つのブランドを傘下に持ち、合計60年のリサイクル経験を有しています。自社のバッテリーリサイクルチーム、バッテリー中心の物流、クローズドループのライフサイクル、リチウム加工施設を備え、リチウム電池リサイクルの先駆者の一つです。
同社は、コバルト系および非コバルト系成分の両方に対応するクロスケミストリーソリューションを含む専門的なリサイクルプロセスを持ち、30年以上にわたり3,600万ポンド以上のリチウムイオンを処理してきました。
最新データによれば、Cirbaは5,000万米ドルを2023年2月9日の最新資金調達ラウンドで調達しました。
廃棄バッテリーセル：将来の展望
電動車や現代の消費者向け電子機器の動力源として不可欠なリチウムイオン電池は、ますます普及していくでしょう。統計的に見ると、2022年から2030年にかけて、世界のリチウムイオン電池需要は約7倍に増加し、2030年には4.7 TWhに達すると予測されています。
生産面では、中国が世界の3/4以上の容量を支配しています。北米と欧州もすぐに追随し、生産の大幅な拡大を目指しています。そのため、バッテリーリサイクルを利用しやすく持続可能なプロセスにするためには、統合された協調的な世界的取り組みが必要であり、初めて汚染や資源枯渇のリスクから世界を守ることができるでしょう。
例えば中国は、自動車メーカーに車載バッテリーの「使用終了時処理」の責任を課しています。欧州連合も遅れず、バッテリーの回収と回収に関する基準を設定しています。
これらのバッテリーのセカンドライフ活用に関するイノベーションが増えることで、非効率的なリサイクルの差し迫った危険性を回避できます。その一例として、アムステルダムのヨハン・クライフ・アリーナのエネルギー貯蔵システムは、148台の新旧Nissan LEAFバッテリーを活用し、4,200枚の太陽光パネルからエネルギーを捕捉し、最大3メガワットの電力を蓄えています。このエネルギーは、予備用として50万台のiPhoneを充電できる量です。
結論として、世界規模で目標を達成するにはすべての関係者の積極的な参加が必要です。自動車メーカー、消費者電子機器メーカー、国際経済機関、各国政府は、廃棄バッテリーセルの持続可能で効率的なリサイクルと回収に声を上げなければなりません。
