JPH10510879A - 使用済みニッケル−金属水素化物蓄電池からの金属の回収方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 正極及び負極の活性材料を含む、蓄電池スクラップから機械的に選別した微細フラクションの溶解には、特に負極の主成分を形成するＡＢ₅型の水素貯蔵合金を残すとこなく溶解するＨ₂ＳＯ₄／Ｈ₂Ｏ₂混合物が好適である。引き続き強酸性溶解液を金属粗大フラクション上を流動させることによって、過剰なＨ₂Ｏ₂を分解し、かつ存在するＦｅ³⁺をＦｅ²⁺を還元し、それにより貯蔵合金から由来する希土類をＦｅ不純物不含で複硫酸塩として沈殿可能にする。Ｎｉ及びＣｏの回収は、溶剤抽出及び同時電気分解により一緒に行うことができ、その際分離生成物は新たな水素貯蔵合金の製造の際のマスター合金として使用可能である。該方法は、蓄電池スクラップが間違った選別に基づきわずかなＮｉ／Ｃｏ電池を含有する場合でも、問題なく実施可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 使用済みニッケル−金属水素化物 蓄電池からの金属の回収方法 本発明は、材料を機械的に破砕し、少なくとも粗大フラクション（coarse fra ction）と微細フラクション（fine fraction）に分け、これらのフラクションを 互いに分離して処理し、その際微細フラクションは強酸を使用して溶解し、該溶 液から金属を段階的に選択的沈殿及び／又は液／液抽出によって分離しかつ回収 することによる、使用済みニッケル−金属水素化物蓄電池からの金属の回収方法 に関する。 ニッケル−金属水素化物蓄電池は、再充電可能な電池の分野で将来性のある代 替品と見なされており、すでにここ数年市場シェアも著しく増加している。高い 単位体積及び単位重量当たりのエネルギーデータにより、このタイプの電池は、 器具用バッテリーであれ又は電気自動車の走行用バッテリーであれあらゆる使用 に関心を抱かせるエネルギー貯蔵システムである。 尤もかかる高出力システムの欠点は、高価かつ現存する資源を考慮すれば乏し い原料を使用することが必要なことである。現在使用されているＮｉＭｅＨ蓄電 池に使用される最も重要な成分は、ニッケル、希土類及び特にコバルトであり、 これは特に戦略上重要な原 料と見なされており、そのため大きな価格変動を受ける。ニッケル及びコバルト は、正極中の重要な元素である。負極内には、ニッケル及びコバルトの他に特に 希土類が水素貯蔵合金の元素である。本発明の方法は実質的に、これらの合金組 成物を使用するＮｉＭｅＨ蓄電池に関する。 さらに、直接エネルギー貯蔵に役立つ活性電極材料に加えて、該蓄電池、ニッ ケルからなる支持体材料を最も重要な材料成分として有している。 従って、ニッケル−水素化物電池をもはや実用性のないものにする高い材料費 、ならびにこれらの材料のための乏しい資源の見地において、これらのリサイク ルは切実な経済的要求である。 ニッケル−金属水素化物蓄電池のリサイクルは、たとえば国際特許出願第９２ ／０３８５３号明細書に基づきＮｉ／Ｃｄ蓄電池からのニッケル及びコバルトの 回収、又は希土類を含有するスクラップ材料の処理（米国特許第５１２９９４５ 号明細書による）からすでに公知である再処理方法に基づくことが予測されてい る。 ドイツ国特許出願公開第４２２４８８４号明細書に記載の方法は、家庭ゴミか らの使用済み電池及び蓄電池の再処理を目的としている。これらは選別されずに 蓄積され、かつ有価物のうちでも就中、アルカリ蓄電池中には存在しない一次電 池からの水銀及び銅が考慮 されるべきであるので、この方法は複雑でありかつ装置的設備が相応して高価で ある。しかしながら、スクラップ材料を解体するための出発工程は、いずれの場 合も類似している。使用済み電池をまず機械的に破砕し、そしてスクリーニング 、風力分級及び磁気分離によって異なるフラクションに分ける。大体においてケ ーシング・スクラップを含む磁性フラクションはニッケル及び鉄を含有しており 、フェロニッケルに加工することができる。軽量フラクションには、ケーシング 、セパレータ及び結合剤からのプラスチックが集まる。最後に、微細フラクショ ンは、電池の破砕された本来の内容物質、電極材料及び電解質材料から構成され る。このフラクションは、回収されるべき物質の大部分を含有している。これら は酸溶解（acid digestion）で開始される湿式化学処理によって段階的に分離さ れ、かつ大抵元素の形で金属として回収される。 アルカリ性ニッケル−金属水素化物蓄電池は、Ｎｉ／Ｃｄ蓄電池とは原則的に 、その活性材料が支持体上の水素貯蔵合金からなる負極によってのみ区別される 。 水素貯蔵合金は、単純な二元合金ＬａＮｉ₅によってＡＢ₅型に、又は合金Ｔｉ Ｎｉ₂によってＡＢ₂型に配属される金属間化合物である。ニッケル−金属水化物 蓄電池のためのＡＢ₅型の水素貯蔵合金は、しばしばＮｉ４５〜５５％、希土類 （ＳＥ）３０〜３５％、Ｃｏ５ 〜１５％、Ｍｎ２〜５％及びＡｌ １〜４％から構成される。 ＡＢ₅合金を有するニッケル−金属水素化物蓄電池の再処理においては、機械 的破砕から引き渡された微細フラクションの公知の方法に基づく酸溶解では不充 分であること立証された。というのも、まさに特に貴重な原料、つまりＳＥ、Ｎ ｉ及びＣｏの一部分は溶解されないからである。ニッケル−カドミウム電池又は ニッケル−水素化物電池の廃棄処理方法に関するヨーロッパ特許公開第５８５７ ０１号明細書も、完全なカバー、特にＳＥをカバーする具体的な教示を想到せし めるものではない。というのも、該方法は場合によっては存在する金属水素化物 の型及びその選択を詳細に取り扱っていないからである。 本発明の課題は、使用済みニッケル−金属水素化物蓄電池の機械的粗処理の際 に生じ、かつ実質的に活性電極材料、その支持体材料及び電解質を含む微細フラ クションを、微粒子状スクラップを残らず溶解することが保証されるように処理 することにある。 該課題は、本発明により請求項１記載の方法によって解決される。 本発明による方法によれば、電池の処理は、自体公知の手段の変更形である一 連の工程から入る。 従って、供給されたスクラップをまず電池の大きさの基づき、即ち小型円形電 池及びボタン電池と、大型 角柱電池とに分けるのが有利であることが立証された。両電池群を水中で解体す る。その際、大型電池は比較的簡単に電池容器ののこ引きによってケーシング部 分とケーシング内容物を分離できる。ケーシング部分は鋼スクラップとして鋼工 場に返送するが、電極アセンブルは水中で３〜１５ｍｍの砕片に破砕し、濾過し 、かつアルカリ液が無くなるまで洗浄する。小型電池の解体は、それらを３〜１ ５ｍｍの同じ大きさの粒子に破砕することにより行い、それを同様にアルカリ液 が無くなるまで洗浄し、かつ鉄粒子を磁気分離器で分離する。 全ての破砕工程のためには、シュレッダー装置が好適である。水中で破砕を実 施することは、負極の微細な金属粒子は発火する恐れがあるために推奨される。 円形電池及びボタン電池の十分に鉄不含の粒子及び角柱電池の電極粒子を今や 合し、かつ本発明に基づき１重量％〜１０重量％の過酸化水素添加物を有する約 ２０％の硫酸内で溶解させる。硫酸のＨ₂Ｏ₂含量は有利には約３重量％である。 この溶解剤の組成は、電極の金属及び酸化物の成分が完全に溶解されるように 調製する。 なお未使用の典型的ニッケル−金属水素化物電池は以下の物質を含有している ： Ｎｉ（ＯＨ）₂（正の材料）、Ｎｉ（ｍｅｔ）（負の貯蔵合金、支持体）、Ｃｏ Ｏ（正の材料）、Ｃｏ（ｍｅ ｔ）（負の貯蔵合金）、Ｚｎ（ＯＨ）₂（正の材料）、希土類（混合金属）（負 の貯蔵合金）、Ｍｎ（負の貯蔵合金）、Ａｌ（負の貯蔵合金）、Ｆｅ（支持体、 電池容器）。 さらに、少量の炭素添加物（陰極）、ＰＴＦＥ結合剤（負極及び正極）及びプ ラスチック繊維不織布（セパレータ）が存在する。 以下に、金属の割合をパーセントで示す： Ｎｉ 約４５％、Ｃｏ 約５％、ＳＥ（Ｍｍ）約１０％、Ｆｅ 約３５％なら びにより少量のＺｎ、Ｍｎ及びＡｌ。 しかしながら、数１００回の充放電サイクルに亙る電池の作動中に、電池内部 に化学変化が起こる。これは特に負極内で使用した水素貯蔵合金に関しており、 その成分はクリーピング酸化に曝される。さらに正極も、リサイクル方法の選択 の際考慮すべき変化を受ける。従って、Ｎｉ（ＯＨ）₂の一部は永久的に３価の 酸化状態に留まる。このことは、本発明による処置にとって、この原子価レベル の酸化ニッケルが酸によって溶解するのが極めて困難である限りにおいて、重要 である。本発明による硫酸及び過酸化水素からなる可溶化混合物によって、この 難点は克服され、かつ電極の金属及び酸化物成分は完全に溶解される。Ｈ₂Ｏ₂の 添加は特に、それ以外には不溶性であり、まだ電極内に存在する３価の酸化ニッ ケル、４価の酸化セリウム、 及び同様に４価の酸化マンガンを還元法で酸に溶解させることを保証する。この ようにして、金属の溶解の際の不動層も回避される。 支持体材料もまた金属からなっているので、電極の炭素含有成分ならびに結合 剤として使用されたＰＴＦＥのみが残る。これらは、電池積層体もしくはコイル の残留したセパレータ材料と一緒に溶解反応器の表面に沈着し、そして浮遊方法 で容易に掬い取ることができる。 本発明による可溶化混合物の特に有利な特性は、該混合物が、多くのニッケル −金属水素化物電池で使用されたＡＢ₂型の水素貯蔵合金を部分的に溶解するに すぎないことにある。従って、該合金の、電池スクラップにおける可能な割合は 、すでにこの工程で十分選別することができる。 溶解工程の終了後、反応器内には金属イオン総濃度約５０〜８０ｇ／ｌを有す る有価物溶液が存在する。この溶液中には、処理のために供給された残留物を含 まないスクラップの全てのＳＥ、全てのＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｚｎ及びＡｌが存在 する。同様に、存在するＦｅは、鉄含有部品の不完全な予備分離に基づき残留鉄 量として有効物質溶液に含まれる。その量は、先行せる分離の精度に基づき、３ ｇ／ｌ以下と見積もられる。 最後に、間違った選別によるＮｉ／Ｃｄ電池の間違 った浸出の場合のために、Ｃｄ濃度０.１〜４ｇ／ｌ、さらにＡＢ₂型合金からの Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ及びＶによるわずかな不純物も計算されねばならない。アルカ リ−マンガン一次電池の配合によって、場合によってはＭｎ及びＺｎの割合が高 められる。 溶解工程の終了後、有価物質溶液のｐＨ値はまず極端な酸性範囲（ｐＨ＜＜１ ）にある。 強酸性溶液から、ＮａＯＨ又はＮＨ₄ＯＨを添加してｐＨ値が１.５〜２に上昇 するように添加することによって、希土類を(ＳＥ)₂(ＳＯ₄)₃・Ｎａ₂ＳＯ₄・ｘＨ₂ Ｏ型の極めて溶解しにくい複塩として沈殿させる。ＳＥは代表的にＬａ、Ｎｄ、 Ｄｙ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｃｅ等、又はこれらの混合物を表す。 濾別した沈殿物を酸中に溶解し、この溶液から希土類塩化物又は希土類酸化物 を得、これらを電気冶金的還元処理して希土類金属又はこれらの複数のものから なる混合物（混合金属：mixed metall）にする。 複硫酸塩沈殿のために好適なｐＨ範囲内でまだ鉄が共沈しないことを保証する ために、本発明によれば、Ｈ₂ＳＯ₄/Ｈ₂Ｏ₂溶解後の微細フラクションの新鮮な 溶液を、まず粗大フラクション内に生じた金属金属上に、Ｈ₂Ｏ₂によってＦｅ³⁺ として溶解した全ての鉄がＦｅ²⁺に還元され、かつＨ₂Ｏ₂の全てが分解されるま で循環させるのが極めて有効であることが立証された。 複硫酸塩沈殿からの濾液内には、今や希土類の族に属さない全ての遷移金属な らびにアルミニウム及び場合によっては希土類、さらにはＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ及び Ｖの僅かな残留物が存在する。 ｐＨ値を２より上、有利には４〜４.５にさらに上昇させることによって、ま ず鉄が塩基性硫酸塩（ＮａＦｅ₃(ＳＯ₄)₂(ＯＨ)₆；鉄明礬石）もしくは水酸化物 及び場合によってはアルミニウムがＡｌ（ＯＨ）₃として析出する。存在する全 てのＦｅ²⁺は沈殿可能な３価の形で沈殿するために、溶液を予め酸化剤、有利に はＨ₂Ｏ₂で処理する。 特に鮮鋭に分離可能なかつ良好に濾過可能なＦｅ−，Ａｌ沈殿物は、このｐＨ ２より上で実施すべき沈殿のために、本発明に基づき、アルカリ金属水酸化溶液 ではなく、アルカリ金属炭酸塩、場合によってはＮａＯＨ及びＮａ₂ＣＯ₃からな る混合物を使用することにより形成される。該混合物はＮａ₂ＣＯ₃少なくとも１ ０重量％を含有すべきである。この場合、有価物質溶液からＦｅは極めて少量で あり定量的に抽出される。さもなければ、鉄は濾液中に連行され、さらなる処理 の過程で新たに分離されなくてはならない。 おそらく、酸性溶液をＣＯ₂の離脱によって泡立てるアルカリ炭酸塩の導入は 、沈殿条件が溶液中全体に亙って同一であることを保証する激しい撹拌効果と結 び付いていると見なされる。撹拌効果が存在しなければ 、周囲がまだ強酸性であるのに、特に水酸化アルカリ液の滴加地点のみを瞬間的 に強アルカリ性環境が支配する。その作用領域内で水酸化物沈殿物は再び部分的 に溶解する。 場合によりＴｉ、Ｚｒ及びｖの不純物も含まれるＦｅ−，Ａｌ沈殿に続く工程 は、抽出工程であるが、これはニッケル及びコバルトの製造方法から自体公知で あり、かつ特定の金属を溶解液から選択するために利用される。抽出剤としては 特に有機溶剤と組み合わせた燐含有陽イオン交換体が好適である。 新たな水素貯蔵合金の製造、及びまたニッケル−金属水素化物電池の正極のた めの水酸化ニッケル材料の製造のためには、ニッケル及びコバルトの定量的回収 が特に重要である。従って、本発明の範囲において、溶剤抽出を、一方では有価 物質Ｎｉ及びＣｏの完全な分離及び他方ではその他の随伴物質、即ちＺｎ、Ｍｎ 、Ｃｄ、Ａｌならびに希土類、Ｆｅ及び場合によりＣｒを、これらがすでに先行 した沈殿によっては完全に除去されない限り実施するように制御するのが特に有 利である。 この分離は、有価物質のｐＨ値をＦｅ−，びＡｌ水酸化物沈殿の後にアルカリ を添加することによりｐＨ３〜４、有利にはｐＨ約３.５に調整しかつ該溶液を 希釈剤としてのジ−エチル−ヘキシル−燐酸、イソトリデカノール及び脂肪族炭 化水素からなる液体混合物と 混合機内で撹拌して激しく接触させることにより達成される。３つの液体の容量 割合は、記載した順に従って、３０：１０：６０であるべきである。さらに水性 相及び溶液相は、容量比１：１又はそれ以上であるべきである。 溶剤抽出によって、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ及び希土類は完全に有機相 に移動するが、その一方でＮｉ及びＣｏは水相内に定量的に残留する。その結果 、有効物質溶液中のそれらの濃度も、蓄電池スクラップ内に存在していた際と同 じ比率で存在する。 記載の条件で実施される溶剤抽出は、金属Ｎｉ及びＣｏに関して“精製抽出（ purification extraction）”であり、これによって間違った選別の影響は排除 される。これらは弱酸性水性抽出段階から今や溶剤抽出方法の新たな適用によっ て互いに分離し、かつたとえば水酸化ナトリウム又は炭酸ナトリウムのの添加に より水酸化物として沈殿させ、そこから最終的にメタロテルミック（metallloth ermic）な方法で元素の形で溶融させる。 それぞれ有機相内に入り込んだ金属塩は、水酸化物沈殿の前にいわゆるストリ ップによって水性−酸性相に移行させることができる。 Ｎｉ及びＣｏの特に好ましい回収方法は電気化学的析出である。それというの も、そのために既存の電解装置を使用することができるからである。その際極め て有利には、精製抽出後の水性相から直接Ｎｉ及びＣｏの共通の電気分解を実施 することができる。それというのも、分離された生成物は、金属の溶液濃度と同 じ原子比を有するＮｉ／Ｃｏ合金であり、その際それらの比は再び処理された蓄 電池スクラップのＮｉ及びＣｏの割合に相応する。電気分解によるＮｉ及びＣｏ の別々の収得は、それらが正の水酸化ニッケル電極の材料として調製されるべき 際に再び適当である。 従って、本発明によるリサイクル方法は、新たな水素貯蔵合金のマスター合金 として合金製造業者に直接提供することができる目的製品が収得されるという結 果をもたらす。 新たな水素貯蔵合金の混合金属成分は、希土類の複硫酸塩沈殿物から、該沈殿 物を酸の中に溶解させることにより回収する。この溶液から希土類塩化物又は希 土類酸化物を収得し、これらを電気冶金還元によって希土類金属又はそれら複数 のものからなる混合物（混合金属）にする。 アーク炉内で溶融したＮｉ／Ｃｏマスター合金は、今や複硫酸塩から処理され た混合金属とともに、真空吸入るつぼ炉又は真空アーク炉内で再溶融させて水素 貯蔵合金にすることができる。 ニッケル−金属水素化物蓄電池の正極もＮｉ及びＣｏを負極の水素貯蔵合金と 類似した原子比で有しているので、同時電気分解によって収得されたＮｉ／Ｃｏ 合金を場合により分離した後に電池製造業者による新たな正の水酸化ニッケル材 料の製造に直接引き渡すことができる。 ニッケル−金属水素化物電池及びＮｉ／Ｃｏ電池で使用される正極が同一であ るため、使用済みニッケル−金属水素化物電池内のニッケル及びコバルトの成分 比率は、Ｎｉ／Ｃｏ電池の蓄電池スクラップへの引き込みによって実際に殆ど変 化しない。それにより、本発明によるリサイクル方法は間違った分類に殆ど影響 されない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウス クラインゾルゲン ドイツ連邦共和国 Ｄ−65779 ケルクハ イム ルッペルツハイナー シュトラーセ 21 (72)発明者 ウーヴェ ケーラー ドイツ連邦共和国 Ｄ−65779 ケルクハ イム イン デン パーデンヴィーゼン 23 (72)発明者 アレクサンダー ブヴィエ オーストリア国 Ａ−9021 クルンペンド ルフ イェロリチュシュトラーセ 19 (72)発明者 アンドレアス フェルツァー オーストリア国 Ａ−9330 トライバッハ −アルトホーフェン ブンゼンヴェーク 17

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．材料を機械的に破砕し、少なくとも粗大フラクションと微細フラクション に分け、この両フラクションを互いに別々に処理し、その際微細フラクションは 強酸を使用して溶解し、該溶液から金属を段階的に選択的沈殿及び／又は液／液 抽出によって分離しかつ回収することにより、使用済みニッケル−金属水素化物 蓄電池から金属を回収する方法において、微細フラクションの溶解のために過酸 化水素を添加した硫酸を使用することを特徴とする、使用済みニッケル−金属水 素化物蓄電池からの金属の回収方法。 ２．硫酸のＨ₂Ｏ₂濃度が１重量％〜１０重量％である、請求項１記載の方法。 ３．硫酸のＨ₂Ｏ₂濃度が約３重量％である、請求項２記載の方法。 ４．約２０％の硫酸を使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方 法。 ５．微細フラクションの新鮮な溶液を、全てが過酸化水素に分解されかつＦｅ³⁺ を溶解した鉄がＦｅ²⁺に還元されるまで金属粗大フラクション上を循環させる 、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。 ６．硫酸溶解物の濾液から、アルカリ添加物を用いてｐＨ値を段階的に上昇さ せることよって順次に、負の金属水素化物電極から形成された水素貯蔵合金から 由来する希土類を複硫酸塩としてならびに鉄及びアルミニウムを塩基性硫酸塩又 は水酸化物として沈殿させる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。 ７．複硫酸塩沈殿後の濾液内のＦｅ／Ａｌ水酸化物沈殿のためのｐＨ値の上昇 のために、アルカリ添加物としてアルカリ金属炭酸塩又はＮａ₂ＣＯ₃少なくとも １０重量％を含有するＮａＯＨ／Ｎａ₂ＣＯ₃混合物を使用する、請求項６記載の 方法。 ８．Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｄならびに残留物のＦｅ、Ａｌ及び希土類の得るために、 Ｆｅ／Ａｌ水酸化物沈殿後の濾液を溶剤抽出処理し、その際抽出剤及びｐＨ値を 、抽出後金属Ｎｉ及びＣｏが完全に水相に溶解し、かつそれらが蓄電池スクラッ プ内に存在していたのと同じ原子比で残留するように選択する、請求項１から７ までのいずれか１項記載の方法。 ９．抽出溶液がジ−エチル−ヘキシル−燐酸（ＤＥＨＰＡ）とイソトリデカノ ール及び脂肪族炭化水素の、３０：１０：６０の比の混合物からなる、請求項８ 記載の方法。 １０．溶媒抽出をｐＨ３〜ｐＨ４、有利にはｐＨ３．５の出発溶液内のｐＨ値 で実施する、請求項８又は９記載の方法。