(57)【要約】【課題】電池内部に有機物が残留し難く、電池を安全に処理して熱処理炉に供給する破砕方法および破砕装置を提供する【解決手段】破砕室を備え、該破砕室には電池を供給する入口と破砕片の排出口が設けられており、室内には回転自在な切断刃が設置されており、さらに室内に非酸化性ガスを導入するガス供給管が接続しており、非酸化性雰囲気下で電池が破砕されることを特徴とする電池破砕装置であり、好ましくは、非酸化性雰囲気下で電池を引裂く前処理機が破砕室の入口に接続しており、非酸化性雰囲気下で破砕した電池の破砕物を破砕手段から直ちに熱処理炉に供給する電池の破砕方法および破砕装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非酸化性雰囲気下で電池を破砕する破砕手段と、その破砕物を受け入れる熱処理炉を該破砕手段に連通し、非酸化性雰囲気下で破砕した電池の破砕物を破砕手段から直ちに熱処理炉に供給することを特徴とする電池の破砕方法。
【請求項２】
非酸化性雰囲気下で電池を引裂く前処理手段を破砕手段の前に設け、該前処理手段によって非酸化性雰囲気下で電池を引裂き、電池内部を露出させて非酸化性ガスを満たした状態で破砕手段に送り込む請求項１に記載する電池の破砕方法。
【請求項３】
破砕室を備え、該破砕室には電池を供給する入口と破砕片の排出口が設けられており、室内には回転自在な切断刃が設置されており、さらに室内に非酸化性ガスを導入するガス供給管が接続しており、非酸化性雰囲気下で電池が破砕されることを特徴とする電池破砕装置。
【請求項４】
ガス供給管を通じて窒素ガスまたは水蒸気または炭酸ガスが破砕室内に導入される請求項３に記載する電池破砕装置。
【請求項５】
非酸化性雰囲気下で電池を引裂く前処理機が破砕室の入口に接続しており、該破砕室の排出口には熱処理炉が連設されている請求項３または請求項４の何れかに記載する電池破砕装置
【請求項６】
前処理機の入口側に非酸化性ガスを満たすガス置換室が形成されており、該ガス置換室と前処理機の出口との間に非酸化性雰囲気下で電池を引裂く手段が設けられている請求項３〜請求項５の何れかに記載する電池破砕装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウムイオン廃電池などを処理する電池の破砕方法と破砕装置に関する。より詳しくは、使用済みリチウムイオン電池などの廃電池を熱処理炉に供給する前処理の破砕方法ないし破砕装置として好適であり、電池内部に有機物が残留し難く、電池を安全に処理して熱処理炉に供給する破砕方法および破砕装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、他の電池に比べ高い電圧が得ることができることから、近年、電気自動車や一般家庭の分散配置型電源などの分野にも実用化が進んでいる。
【０００３】
一般的なリチウムイオン電池は、ステンレスやアルミニウム等の金属製の外装缶内に、集電体としてのアルミニウム箔上にマンガン酸リチウムやコバルト酸リチウム等の活物質を塗布してなる正極と、集電体としての銅箔上に黒鉛等の活物質を塗布してなる負極と、これら電極間にポリエチレンやポリプロピレン等の多孔質樹脂フィルムでできたセパレータが緻密な状態で多層に巻かれた状態で収納されており、これらは六フッ化リン酸リチウム等の電解質や炭酸エステル化合物の有機溶媒と共に缶内に密封されている。
【０００４】
リチウムイオン電池は電池寿命が尽き、あるいは使用される装置の更新等によって使用済み電池として廃棄処理される。一方、使用済み電池には有害物質が残留しており、また有価金属等も含まれることから、電池の無害化と有価物の回収が求められている。
【０００５】
使用済みリチウムイオン電池から有価金属を回収する方法として、例えば特許文献１および特許文献２に記載されるような乾式処理の回収技術が提案されている。これらの技術では、使用済みリチウムイオン電池を高温の炉内に直接投入し、熱反応による電池自身の破裂現象によって外装缶を破壊して内部物質を取り出している。
【０００６】
上記回収技術では炉の温度を８００℃以上の高温とすることが好ましいと説明されているが、この温度帯では有価物のアルミニウム箔が溶融して近傍の活物質と混ざり合うため分離回収が困難になる。また、外装缶内に有機物の熱分解による還元性ガスが発生し、酸化物の還元が進むと説明されているが、缶型の電池は内部が緻密な巻き構造であるために還元ガスと十分に接触せず、外装缶内部の圧力が上昇して一気に還元性ガスが放出してしまう。そのため未分解の樹脂や有害物が残留する問題がある。
【０００７】
また、特許文献３には、破砕機を備えた破砕部と、冷却水の噴射手段を有する電池破砕装置が開示されている。この破砕装置は冷却水の噴射による電池の冷却と有機溶媒の洗浄によって破砕時の発火を防ぎ、破砕機を大気下に設置することによってメンテナンスを容易にした装置である。しかし、水の噴射では有機溶媒が電池内部に残留しやすく、また有機溶媒が多量の水と混合するので、その後処理に手間がかかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０-３３０８５５号公報
【特許文献２】特許３０７９２８５号公報
【特許文献３】特開２０１２−１１０８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、電池の破砕方法および破砕装置について、従来の上記問題を解決したものであり、電池内部に有機物が残留し難く、電池を安全に処理して熱処理炉に供給する破砕方法および破砕装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は以下の構成を有する電池の破砕方法に関する。
〔１〕非酸化性雰囲気下で電池を破砕する破砕手段と、その破砕物を受け入れる熱処理炉を該破砕手段に連通し、非酸化性雰囲気下で破砕した電池の破砕物を破砕手段から直ちに
熱処理炉に供給することを特徴とする電池の破砕方法。
〔２〕非酸化性雰囲気下で電池を引裂く前処理手段を破砕手段の前に設け、該前処理手段によって非酸化性雰囲気下で電池を引裂き、電池内部を露出させて非酸化性ガスを満たした状態で破砕手段に送り込む上記[１]に記載する電池の破砕方法。
【００１１】
さらに本発明は以下の構成を有する電池破砕装置に関する。
〔３〕破砕室を備え、該破砕室には電池を供給する入口と破砕片の排出口が設けられており、室内には回転自在な切断刃が設置されており、さらに室内に非酸化性ガスを導入するガス供給管が接続しており、非酸化性雰囲気下で電池が破砕されることを特徴とする電池破砕装置。
〔４〕ガス供給管を通じて窒素ガスまたは水蒸気または炭酸ガスが破砕室内に導入される上記[３]に記載する電池破砕装置。
〔５〕非酸化性雰囲気下で電池を引裂く前処理機が破砕室の入口に接続しており、該破砕室の排出口には熱処理炉が連設されている上記[３]〜上記[４]の何れかに記載する電池破砕装置
〔６〕前処理機の入口側に非酸化性ガスを満たすガス置換室が形成されており、該ガス置換室と前処理機の出口との間に非酸化性雰囲気下で電池を引裂く手段が設けられている上記[３]〜上記[５]の何れかに記載する電池破砕装置。
【００１２】
〔具体的な説明〕
本発明の破砕方法および破砕装置は、電池を破砕する方法および装置である。該電池は、例えば、使用済みリチウムイオン電池、あるいはその他の電池であって破砕処理する電池である。該破砕処理する電池は放電処理して残電圧を３Ｖ以下にして本発明の破砕処理を行うのが好ましい。残電圧が３Ｖより高いと処理中に高温に発熱したり可燃性ガスが発生する場合がある。残電圧の処理としては、電子負荷装置等の抵抗器に接続したり、導電性液体中に水没させたり、内部短絡が起きるように金属棒を電池に突き刺したり、電池全体をプレスして変形させるとよい。
本発明の破砕方法および破砕装置の概念図を図１に示す。
【００１３】
本発明の破砕方法は、非酸化性雰囲気下で電池を破砕する破砕手段と、その破砕物を受け入れる熱処理炉を上記破砕手段に連通し、非酸化性雰囲気下で破砕した電池の破砕物を破砕手段から直ちに熱処理炉に供給することを特徴とする電池の破砕方法である。
【００１４】
本発明の破砕装置は、上記破砕方法を実施するために、図１に示すように、非酸化性雰囲気下で電池２０を破砕する破砕手段として破砕室１０を備えている。該破砕室１０にはその上部に電池を供給する入口１１が設けられており、その下部に破砕片の排出口１２が設けられている。また、室内には回転自在な切断刃１３が設置されている。さらに該破砕室１０には室内に非酸化性ガスを導入するガス供給管１４が接続している。
【００１５】
破砕する電池２０は入口１１から破砕室１０に供給される。該破砕室１０にはガス供給管１４を通じて室内に非酸化性ガスが導入される。この非酸化性ガス雰囲気下で電池２０が破砕される。非酸化性ガスとして、例えば、窒素ガス、水蒸気、または炭酸ガスを用いることができる。水蒸気を破砕室１０に導入する場合には室内で凝縮しないようにヒータなどの加温手段（図示省略）を破砕室１０に設けると良い。
【００１６】
非酸化性雰囲気下で破砕することによって、電池内部に密封されている有機溶媒の発火を防止することができる。また、水蒸気を用いた場合には、有機溶媒の発火防止と共に有機溶媒を水蒸気によって揮発させて効率よく除去することができる。
【００１７】
非酸性雰囲気ガスとして水蒸気を用いる場合には、凝縮を避けるため１２０℃〜２００℃が良く、１３０〜１６０℃が好ましい。また、この温度に加温することによって、電池２０に内封されている有機溶媒を抽出することができる。この温度が高すぎると電池２０に内封される樹脂類の分解が始まり、破砕機の閉塞等を招く懸念がある。樹脂類の分解は次工程（熱処理炉）で行うのが好ましい。
【００１８】
破砕室１０の切断刃１３は、例えば、図２に示すように、回転軸１５に取り付けられて回転自在に形成されており、図示する例では、相対向する切断刃１３が互いに噛み合うように設置されている。電池２０は該切断刃１３に挟み込まれて破砕される。
【００１９】
切断刃１３の構造は図示する二軸構造に限らない。一軸構造や剪断構造などでもよい。また外装缶とこれに内封されている電極類を分離するため、切断刃１３と切断刃１３の刃幅は電極類を分離しやすい幅が好ましく、熱分解処理の効率を上げることと、プロセス後段での選別作業の効率を良くするため、一般に切断刃１３の刃幅は１５mm〜４０mm程度が良く、２０mm〜３０mmが好ましい。
【００２０】
破砕室１０には熱処理炉３０が連設されている。該熱処理炉３０は破砕室１０の排出口１２の下側に設置して破砕片を熱処理炉３０に連続的あるいは間欠的に落下させると良い。また、炉内のガスが破砕室１０に流入しないように、熱処理炉３０の炉内圧Ｐ１より破砕室１０の内部圧Ｐ２を大きく（Ｐ１＜Ｐ２）すると良い。
【００２１】
本発明の破砕方法は、好ましくは、非酸化性雰囲気下で電池を引裂く前処理手段を破砕手段の前に設け、該前処理手段によって非酸化性雰囲気下で電池を引裂き、電池内部を露出させて非酸化性ガスを満たした状態で破砕手段に送り込む。
【００２２】
本発明の図示する破砕装置では、上記破砕方法を実施するために、非酸化性雰囲気下で電池を引裂く前処理機４０が破砕室１０の投入口１１に接続している。該前処理機４０の入口側には非酸化性ガスを満たすガス置換室４１が形成されており、該ガス置換室４１と破砕室１０の間には非酸化性雰囲気下で電池を引裂く手段４２が設けられている。
【００２３】
上記ガス置換室４１には窒素ガスなどの非酸化性ガスを室内に導入する供給管４３と、室内のガスを排気する排気管４４が接続している。該ガス置換室４１の入口と出口にはおのおのゲート４５、４６が設けられている。破砕処理する電池２０は入口ゲート４５から室内に搬入された後に、入口ゲート４５と出口ゲート４６を閉じて室内を密閉した状態で供給管４３を通じて窒素ガスなどの非酸化性ガスが室内に導入され、一方、室内の大気は排気管４４を通じて外部に排出され、室内の電池が非酸化性ガスで満たされる。次いで、出口ゲート４６を開き、非酸化性ガスで満たされ電池２０が出口ゲート４６を通じて引裂き手段４２に送り込まれる。
【００２４】
該引裂き手段４２はガス置換室４１の出口ゲート４６から破砕室１０の投入口１１に通じる室内４７に設けられており、該室内４７に窒素ガスなどの非酸化性ガスを室内に導入する供給管４８が接続している。また、破砕室１０の入口１１との間にはゲート４９が設けられている。室内４７に電池２０が送り込まれると、上記ゲート４６、４９が閉じて室内を密閉し、非酸化性ガスが室内に供給される。この非酸化性雰囲気下で電池２０が引裂かれる。
【００２５】
上記引裂き手段４２は互いに接近離反する爪部５０、５１を有しており、該爪部５０、５１は室内４７に搬入された電池２０に突き刺さった状態で互いに離れる方向に移動して電池２０が引き裂かれ、電池内部が露出した状態になる。具体的には、片側に複数の先端が鋭利で、かつ返しのある構造の爪を有した冶具が、電池２０の側面（平坦な面）に電池２０の厚みの半分程度の深さまで刺さり、次に互いに離れる方向に移動する。この時、爪の返しの部分が電池２０の外装缶部分を引っかけて引き裂き、電池内部が露出する。次いでゲート４９が開き、内部が露出した電池２０は非酸化性雰囲気の破砕室１０に送り込まれ、切断刃１３によって破砕された後に、破砕片が非酸化性ガスと共に熱処理炉３０に投入される。
引裂き手段の代わりに、切断手段、圧縮変形手段、捻り変形手段を使用しても良い。
【００２６】
熱処理炉３０において、破砕片は高温（約３５０℃〜約５００℃）に加熱されて熱分解し、樹脂等の有機物は残留せずにガス化または炭化する。また、金属材料は酸化されずに残留するので、有価金属として回収することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の破砕方法および破砕装置によれば、非酸化性雰囲気下で電池を破砕するので、有機溶媒や樹脂などの可燃物による引火や発火は生じない。従って、リチウムイオン電池のように電池内部に有機溶媒が封入されていても、有機溶媒が発火せず安全に処理することができる。また、破砕して熱処理炉に送るので、多重に巻き込まれている電極深部まで樹脂成分のガス化が促進され、未分解物が生じない。また、有害なフッ素化合物やリン化合物が含まれていても、熱処理炉で効率的に熱分解されるのでこれらを安全に処理することができ、また熱分解後の分離回収も容易である。
【００２８】
また、本発明の破砕方法および破砕装置によれば、非酸化性雰囲気ガスとして約１２０℃〜約２００℃の水蒸気を用いると有機溶媒が抽出されやすく、電池に有機溶媒が実質的に残留しない。
【００２９】
さらに本発明の破砕方法および破砕装置において、非酸化性雰囲気下で電池を引裂いて内部を露出させる前処理手段（前処理機）を破砕手段（破砕室）の前に設けることによって、電池内部まで非酸化性雰囲気にした状態で電池を破砕するので、有機溶媒の発火を確実に防止することができる。
【００３０】
本発明の破砕方法および破砕装置は上記効果を有するので、使用済みリチウムイオン電池などの廃電池を熱分解炉に供給する前処理の破砕方法ないし破砕装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の破砕方法および破砕装置の概念図。
【図２】切断刃の一例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
〔実施例１〕
図１に示す本発明の破砕方法ないし破砕装置は、破砕室１０を備えており、該破砕室１０にはその上部に電池を供給する入口１１が設けられており、その下部に破砕片の排出口１２が設けられており、室内に非酸化性ガスを導入するガス供給管１４が接続している。破砕室１０には回転自在な切断刃１３が設置されており、該切断刃１３は、図２に示すように、回転軸１５に取り付けられており、相対向する切断刃１３が互いに噛み合うように設置されている。破砕室１０の排出口１２の下側には熱処理炉３０が連設されており、炉内のガスが破砕室１０に流入しないように、熱処理炉３０の炉内圧Ｐ１よりも破砕室１０の内部圧Ｐ２が大きく（Ｐ１＜Ｐ２）設定されている。
さらに、破砕室１０に前処理機４０が接続している。該前処理機４０の入口側には非酸化性ガスを満たすガス置換室４１が形成されており、上記ガス置換室４１には窒素ガスを室内に導入するガス供給管４３と、室内のガスを排気するガス排出管４４が接続している。該ガス置換室４１の入口と出口にはおのおのゲート４５、４６が設けられている。
該ガス置換室４１と破砕室１０の間には電池を引裂く手段４２が設けられている。該引裂き手段４２はガス置換室４１の出口ゲート４６から破砕室１０の投入口１１に通じる室内４７に設けられており、該引裂き手段４２は互いに接近離反する爪部５０、５１を有している。また、該引裂き室内４７に窒素ガスを導入するガス供給管４８が接続しており、破砕室１０の入口１１との間にゲート４９が設けられている。
破砕処理する電池２０は、前処理機４０のガス置換室４１に搬入され、窒素ガスによって満たされた後に引裂き室内４７に送り込まれ、爪部５０，５１が電池２０に突き刺さった状態で互いに離反する方向に移動して電池２０が引裂かれる。内部が露出した電池２０は破砕室１０に送り込まれ、窒素ガス雰囲気下で切断刃１３によって破砕された後に破砕片が非酸化性ガスと共に熱処理炉３０に落下し、熱処理炉３０によって熱分解される。
【００３３】
〔実施例２〕
残電圧３Ｖ以下に放電した使用済み角型リチウムイオン電池を、実施例１の破砕室１０に投入した。破砕室１０は１５０℃に加熱制御し、ガス供給管１４を通じて約１６０℃に加熱された過熱水蒸気を１０kg/時の流量で室内に供給した。この過熱水蒸気雰囲気下で切断刃１３を駆動して上記電池を破砕した。破砕時に電池の発火等は生じなかった。この破砕によって電池は１５〜２０mm四方の電極箔、樹脂部材および電池外装缶の破砕片に分かれた。この破砕片を５００℃に加熱した熱処理炉３０に連続的に供給し、２０分後に残留物を炉内から取り出した。樹脂部材は完全に熱分解され残留していなかった。また、正極箔、負極箔上に塗布された活物質は、僅かな振動を加えるだけで剥離する状態であった。
【００３４】
〔比較例１〕
残電圧３Ｖ以下に放電した使用済み角型リチウムイオン電池を破砕せずに、水蒸気雰囲気に制御された炉内温度５００℃の熱分解炉に投入し、２０分後に電池を炉内から取り出した。電池は若干膨張をしただけで、破裂等により内容物が外に出ることは無かった。この電池の外装缶を解体したところ、電池内部の正極箔、負極箔間に巻かれている樹脂部材は炭化した状態で残留していることが確認された。また、正極箔、負極箔上に塗布された活物質は強固に箔上に付着しており、分離回収し難い状態であった。
【符号の説明】
【００３５】
１０−破砕室、１１−入口、１２−排出口、１３−切断刃、１４−ガス供給管、１５−回転軸、２０−電池、３０−熱処理炉、４０−前処理機、４１−ガス置換室、４２−引裂き手段、４３−ガス供給管、４４−ガス排出管、４５、４６−ゲート、４７−引裂き室内、４８−ガス供給管、４９−ゲート、５０、５１−爪部。
【図１】
2016117009.tif 000003
【図２】
2016117009.tif 000004