(57)【要約】  電極合材が集電体上に保持されている電極を摩砕手段により摩砕して、前記電極合材を前記集電体から剥離する剥離工程を備える電極処理方法であって、前記摩砕手段は、摩砕面を有する第１部材（３）と、摩砕面を有する第２部材（４）とを有し、第１部材（３）及び第２部材（４）の摩砕面同士が相対向し、両者の間に前記電極を摩砕する空間を形成するように、第１部材（３）と第２部材（４）とが配置され、第１部材（３）及び第２部材（４）の少なくともいずれか一方が、前記摩砕面同士の対向方向を回転軸方向として回転する摩砕機であることを特徴とする電極処理方法である。
2020003602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極合材が集電体上に保持されている電極を摩砕手段により摩砕して、前記電極合材を前記集電体から剥離する剥離工程を備える電極処理方法であって、
前記摩砕手段は、摩砕面を有する第１部材と、摩砕面を有する第２部材とを有し、前記第１部材及び前記第２部材の摩砕面同士が相対向し、両者の間に前記電極を摩砕する空間を形成するように、前記第１部材と前記第２部材とが配置され、前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれか一方が、前記摩砕面同士の対向方向を回転軸方向として回転する摩砕機である、電極処理方法。
【請求項２】
前記剥離工程により得られた前記電極合材と前記集電体とを含む混合物から、前記電極合材と前記集電体とに分離する分離工程を備える、請求項１に記載の電極処理方法。
【請求項３】
前記摩砕機は、前記第１部材と前記第２部材とを、垂直方向上下に配置している、請求項１又は２に記載の電極処理方法。
【請求項４】
前記第１部材の摩砕面及び前記第２部材の摩砕面には、摩砕面中央から外側に延びている溝が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極処理方法。
【請求項５】
前記第１部材及び前記第２部材は円盤状であり、前記第１部材の摩砕面及び前記第２部材の摩砕面は、摩砕面中央から外周側に向かって、前記摩砕面同士の間隔が狭くなるように傾斜する傾斜部を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電極処理方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池等の電池に使用される電極は、アルミニウムや銅等の集電体と、集電体上に塗布されている、コバルト、ニッケル、マンガン、リチウム等の化合物又は黒鉛等の炭素材料等の活物質を含む電極合材とを有する。このような電極の製造工程で発生する電極廃材や使用済み電池に組み込まれていた電極等から、集電体と電極合材とに分離して、それぞれ回収することは、資源を有効活用する等の点で望ましい。【０００３】
例えば、特許文献１には、活物質を含む電極合材が集電体上に保持されてなるリチウムイオン二次電池用電極を破砕機により破砕し、上記電極合材を上記集電体から剥離する工程と、上記電極を破砕して得られた粉砕物を、上記集電体を主体とする粉砕物と、上記電極合材を主体とする粉砕物とに分離する工程と、を有する電極処理方法が開示されている。【０００４】
また、例えば、特許文献２には、使用済みリチウムイオン電池の正極と負極の混合物を粗破砕して、正極と負極の活物質および集電体の粗破砕物を含む粗破砕混合物にし、この粗破砕混合物から樹脂類および磁着物を取り除いた後に、該粗破砕混合物を二次破砕し、該二次破砕物を活物質主体の粒径０.５ｍｍ未満の細粒物と、集電体主体の粒径０.５ｍｍ以上〜５ｍｍ以下の中粒物と、可燃物を含む粒径５ｍｍより大きい粗粒物とに篩分けし、該細粒物から活物質を回収する電極処理方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３６３４９２７号公報
【特許文献２】特許第６２３８０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の破砕機によって電極を破砕しようとすると、電極の厚み方向に強い剪断力が掛かり易いため、電極合材及び集電体の両方が細かく破砕されて、微粉化する。そのため、電極を破砕して得られた粉砕物から電極合材と集電体とに分離しようとしても、電極合材中に集電体が混入したりして、電極合材と集電体とを効率的に分離することが困難となる。【０００７】
そこで、本開示の目的は、電極合材と集電体とを効率的に分離することを可能とする電極処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様は、電極合材が集電体上に保持されている電極を摩砕手段により摩砕して、前記電極合材を前記集電体から剥離する剥離工程を備える電極処理方法であって、前記摩砕手段は、摩砕面を有する第１部材と、摩砕面を有する第２部材とを有し、前記第１部材及び前記第２部材の摩砕面同士が相対向し、両者の間に前記電極を摩砕する空間を形成するように、前記第１部材と前記第２部材とが配置され、前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれか一方が、前記摩砕面同士の対向方向を回転軸方向として回転する摩砕機であることを特徴とする電極処理方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一態様によれば、電極合材と集電体とを効率的に分離することを可能とする電極処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態で使用する摩砕機の構成の一例を示す模式断面図である。
【図２】従来用いられる破砕機の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは、現物と異なる場合がある。
【００１２】
本実施形態に係る電極処理方法は、電極合材が集電体上に保持されている電極を摩砕機により摩砕して、前記電極合材を前記集電体から剥離する剥離工程を備える。
【００１３】
本実施形態で使用される電極は、例えば、活物質や結着剤を含む電極合材を集電体上に塗布、圧縮成形することにより作製された電極である。当該電極は、電極の製造工程で発生する電極廃材であってもよいし、電池を解体して取り出した使用済みの電極であってもよい。また、当該電極は、正極又は負極のいずれでもよい。以下に、リチウムイオン電池に使用される電極の構成を説明するが、本実施形態で使用される電極は、リチウムイオン電池用電極に限定されるものではない。
【００１４】
リチウムイオン電池用正極には、例えば、以下のような材料が用いられる。
【００１５】
正極合材に含まれる正極活物質として、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等のリチウム含有複合酸化物が用いられる。特に、コバルト酸リチウムは、特性には優れるものの、資源が乏しく高価であることから、分離回収するメリットが大きい。なお、リチウム含有酸化物は、導電性が低いので、アセチレンブラックのような導電剤が正極合材に含まれる場合がある。
【００１６】
正極合材に含まれる結着材として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のフッ素樹脂等が用いられる。
【００１７】
正極集電体として、例えば、アルミニウムなどの正極の電位範囲で安定な金属の箔等が用いられる。アルミニウムは電池の他に様々な電子部品等に利用可能であるため、分離回収するメリットが大きい。
【００１８】
リチウムイオン電池用負極には、例えば、以下のような材料が用いられる。
【００１９】
負極合材に含まれる負極活物質として、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素材料、ケイ素（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）等のリチウムと合金化する金属、又はＳｉ、Ｓｎ等の金属元素を含む合金、複合酸化物等が用いられる。
【００２０】
負極合材に含まれる結着材として、例えば、上記フッ素樹脂の他に、ＣＭＣ、ＳＢＲ、ＰＶＡ等が用いられる。
【００２１】
負極集電体として、例えば、銅などの負極の電位範囲で安定な金属の箔等が用いられる。銅は電池の他に様々な電子部品等に利用可能であるため、分離回収するメリットが大きい。
【００２２】
以下に、本実施形態で使用する摩砕機について説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態で使用する摩砕機の構成の一例を示す模式断面図である。図１に示す摩砕機は、摩砕機本体１、上蓋２、第１部材３、第２部材４、回転盤５、押え金具６、スプラインシャフト８、雄ネジが形成された支持部材９、ロックハンドル１０、クリアランス調整ハンドル１１、雌ネジが形成された筒体１２、メーター１３、回転自在な支持軸１４、レバー１５、供給ホッパー１６、排出部１７を備える。
【００２４】
第１部材３及び第２部材４それぞれは摩砕面を有する。具体的に、図１においては、第１部材３は、下方に円錐台形のくぼみを有する摩砕面を有する。第２部材４は、上方に円錐台形のくぼみを有する摩砕面を有する。そして、第１部材３と第２部材４は、それぞれの摩砕面同士が相対向し、両者の間に電極を摩砕する空間が形成されるように配置される。
【００２５】
第１部材３は上蓋２に固定されている。上蓋２は、回転自在な支持軸１４によって摩砕機本体１上部に連結され、レバー１５によって摩砕機本体１に嵌合して固定されている。上蓋２の中央には開口部が設けられており、当該開口部に供給ホッパー１６が取り付けられている。
【００２６】
第２部材４は、第１部材３及び第２部材４の摩砕面同士の対向方向を回転軸方向として回転する。言い換えれば、第２部材４は、対向する第１部材３の摩砕面に直行する方向を回転軸方向として回転する。具体的に、図１においては、第２部材４は、不図示のモーターにより回転するスプラインシャフト８に固定されている回転盤５上に配置され、押え金具６によって固定されている。すなわち、第２部材４は、スプラインシャフト８を回転軸として、スプラインシャフト８と一体に回転する。
【００２７】
スプラインシャフト８は、支持部材９と上下方向に一体に、且つ周方向に回転自在に連結されている。第１部材３と第２部材４との間のクリアランス調整を行う時は、ロックハンドル１０を解除して、クリアランス調整ハンドル１１を回動し、クリアランス調整ハンドル１１に連結する支持部材９を回転させる。支持部材９の外周に形成された雄ネジは、摩砕機本体１に固定された筒体１２に形成された雌ネジと螺合しているため、クリアランス調整ハンドル１１の回転に伴い支持部材９が上昇又は下降し、これに伴い第２部材４が上昇又は下降して、クリアランスが調整される。第２部材４を上昇させ、第１部材３と第２部材４の摩砕面が当接する位置をメーター１３により読み取り、この位置を基準として所望のクリアランスに調整した後、ロックハンドル１０によりクリアランスを固定する。
【００２８】
摩砕機を用いて電極を摩砕する際には、例えば、不図示のモーターにより第２部材４を回転させておき、供給ホッパー１６に電極を投入する。投入する電極は予め細かく裁断（例えば、４ｍｍ２〜３０ｍｍ２程度）したものが望ましい。投入された電極は、第１部材３と第２部材４との間の中心部の空間に供給される。そして、電極は、第２部材４の回転により生じる遠心力により、中心部から外側へ移動しながら、第１部材３と第２部材４の摩砕面間で摩砕される。このとき、第１部材３と第２部材４の摩砕面間では、圧縮、剪断、転がり摩擦等の応力が電極に掛かり、集電体から電極合材が剥離される。剥離された集電体及び電極合材は、第１部材３及び第２部材４の摩砕面間の隙間から、摩砕面の外側にある排出部１７へ排出される。
【００２９】
ここで、本実施形態で用いられる摩砕機のように、第１部材３及び第２部材４の摩砕面同士の対向方向を回転軸方向として第２部材４を回転させると、摩砕面間で生じる応力は、電極の厚み方向より平面方向に掛かり易くなる。そのため、集電体上の電極合材は集電体から削り取られて微粒子化するが、集電体が破砕して微粒子化することは抑えられる。なお、集電体は、摩砕面間で生じる応力によって、例えば、丸まった状態で排出される。
【００３０】
本実施形態では、摩砕工程により得られた集電体及び電極合材を含む混合物から、集電体と電極合材とに分離する分離工程を備える。具体的には、図１の摩砕装置の排出部１７に溜まった混合物を取り出して、その混合物を例えば、振動篩いや、風力選別等によって、集電体と電極合材とに分離する。振動篩いは、粒径の差を利用して混合物を分離するものであり、風力選別は、比重の差を利用して混合物を分離するものである。いずれにしても、本実施形態の摩砕工程によって得られた集電体は、電極合材と共に微粒子化せずに、電極合材より大きな粒径を有するため、振動篩いや風力選別等を行っても、分離した電極合材側へ混入し難く、電極合材と集電体とを効率的に分離することが可能となる。
【００３１】
図２は、従来用いられる破砕機の模式断面図である。図２に示す破砕機は、有底筒状の剥離室２０と、この剥離室２０の底部の中心部に立設するとともに、不図示のモーターの駆動により回転する回転軸２２と、この回転軸２２と平行に取り付けられたブレード２４とを備えている。剥離室２０の内面２０ａには凹凸（不図示）が設けられている。ブレード２４は、剥離室２０の内面２０ａとの対向方向に対して垂直方向を回転軸方向として回転する。言い換えれば、ブレード２４は、対向する剥離室２０の内面２０ａに平行する方向を回転軸方向として回転する。
【００３２】
ブレード２４と剥離室２０の内面２０ａとの間には電極を粉砕する空間が形成されているため、電極を剥離室２０内に投入して、ブレード２４を回転させると、電極は剥離室２０の内面２０ａとブレード２４に当たることによって破砕され、集電体から電極合材が剥離される。しかし、図２の破砕機のように、ブレード２４が、剥離室２０の内面２０ａとの対向方向に対して垂直方向を回転軸方向として回転すると、剥離室２０の内面２０ａとブレード２４との間で生じる応力は、電極の平面方向より厚み方向に掛かり易くなる。そのため、電極合材は破砕して微粒子化するが、それと共に集電体も破砕して微粒子化してしまう。したがって、図２の破砕機によって集電体から電極合材を剥離した後、振動篩いや風力選別等によって、集電体と電極合材を含む混合物を集電体と電極合材とに分離しようとしても、集電体が分離した電極合材側へ混入してしまい、電極合材と集電体とを効率的に分離することが困難となる。
【００３３】
以下に、本実施形態で使用される摩砕機についてさらに詳述する。
【００３４】
第１部材３及び第２部材４は、例えば、アルミナ等のセラミックスからなる砥粒と結着材とを混合した合材を所定形状の型に流し込んだりベース基材上に塗布したりした後、溶融又は焼結させて硬化させることにより得られる。砥粒は、セラミックスに限定されるものではなく、例えば、ステンレス等の金属であってもよいが、耐摩耗性等の点で、セラミックスが好ましい。
【００３５】
第１部材３及び第２部材４の配置方向は、電極を効率的に摩砕することができる点で、垂直方向上下とすることが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、水平方向左右としてもよい。
【００３６】
第１部材３及び第２部材４の形状は特に限定されるものではないが、回転効率等の点で、円盤状であることが好ましい。また、第１部材３及び第２部材４の摩砕面は、例えば、図１に示す円錐台形のくぼみのように、中央から外周側に向かって、摩砕面同士の間隔が狭くなるような傾斜部を有することが好ましいが、傾斜部を有さず平坦部のみから構成されていてもよい。中央から外周側に向かって、摩砕面同士の間隔が狭くなるような傾斜部を設けることにより、対向する摩砕面の中央が、電極収容空間となるため、連続して多くの電極を摩砕することが可能となる。
【００３７】
第１部材３及び第２部材４の摩砕面には、摩砕面中央から外周に延びる溝が形成されていることが好ましい。溝は、例えば、摩砕面上に放射状、渦巻き状に配置されている。摩砕面に溝を形成することにより、第１部材３及び第２部材４の摩砕面間で摩砕された電極合材及び集電体が溝を通って、外部に排出され易くなるため、電極合材及び集電体の回収作業が容易となる。
【００３８】
本実施形態では、第２部材４のみを回転させているが、第１部材３及び第２部材４のうちの少なくともいずれか一方が回転すればよい。第１部材３及び第２部材４の両方を回転させる場合には、摩砕面同士の対向方向を回転軸方向として回転していれば、互いに同じ方向に回転してもよいし、逆方向に回転してもよい。第１部材３、第２部材４の回転速度は、特に制限されるものではないが、例えば、５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの範囲である。
【００３９】
摩砕機は、第１部材３及び第２部材４のうちの少なくともいずれか一方を加熱する加熱装置を備えていてもよい。加熱装置により第１部材３や第２部材４を加熱しながら、電極を摩砕することにより、電極合材に含まれる結着材が蒸発し易くなるため、電極合材をより微粒子化することが可能となる。また、摩砕機は、第１部材３と第２部材４との間に熱風（例えば、１００℃以上）を供給する装置を備えていてもよい。当該装置により第１部材３と第２部材４との間に熱風を供給しながら、電極を摩砕することにより、電極合材に含まれる結着材が蒸発し易くなるため、電極合材をより微粒子化することが可能となる。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例により本開示をさらに説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。【００４１】
＜実施例１＞
電極を図１に示す摩砕機により摩砕して、電極合材を集電体から剥離する剥離工程を実施した。電極は、製造工程で発生した正極の廃材２００ｇ（正極活物質：ＮＣＭ、正極合材１８０ｇ、Ａｌ集電体２０ｇ、厚み２００μｍ、正極合材／Ａｌ集電体比＝９０／１０）を使用した。また、摩砕機の仕様は以下の通りである。
第１及び第２部材の配置：第１部材及び第２部材を垂直方向上下に配置
第１及び第２部材の大きさ：６インチ
摩砕面に形成した溝：深さ３ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、放射状
第１及び第２部材の材質：グレーアルミナ
第１及び第２部材間のクリアランス：５００μｍ
第２部材の回転速度：１８００ｒｐｍ【００４２】
剥離工程により得られた正極合材とＡｌ集電体を含む混合物を８５０μｍメッシュの振動篩いにかけて、正極合材とＡｌ集電体とに分離した。振動篩いにより、篩い上に残った篩上材料（主にＡｌ集電体）、篩いを通過し篩い下に溜まった篩下材料（主に正極合材）をそれぞれ回収した。そして、回収した篩下材料を硝酸で溶解した後、発光分光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ）を用いて各元素の質量分析を行い、篩下材料中のＡｌ集電体質量及び正極合材質量を求め、以下の式により、正極合材回収率、Ａｌ混入率を算出した。
正極合材回収率＝（回収した篩下材料中の正極合材質量／投入正極合材質量）×１００
Ａｌ混入率＝（回収した篩下材料中のＡｌ集電体質量／回収した篩下材料質量）×１００【００４３】
＜実施例２＞
第１及び第２部材間のクリアランスを３００μｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の条件として試験を行い、正極合材回収率、Ａｌ混入率を算出した。【００４４】
＜実施例３＞
溝のない第１及び第２部材を使用したこと以外は、実施例１と同様の条件として試験を行い、正極合材回収率、Ａｌ混入率を算出した。【００４５】
＜実施例４＞
電極として、製造工程で発生した負極の廃材２００ｇ（負極合材１７０ｇ、Ｃｕ集電体３０ｇ）を使用したこと以外は、実施例１と同様の条件として試験を行った。そして、回収した篩下材料を硝酸で溶解した後、発光分光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ）を用いて各元素の質量分析を行い、篩下材料中のＣｕ集電体質量及び負極合材質量を求め、以下の式により、負極合材回収率、Ｃｕ混入率を算出した。
負極合材回収率＝（回収した篩下材料中の負極合材質量／投入負極合材質量）×１００
Ｃｕ混入率＝（回収した篩下材料中のＣｕ集電体質量／回収した篩下材料質量）×１００【００４６】
＜比較例＞
図１に示す摩砕機に代えて図２に示す破砕機を用い、実施例１と同様の粒度となるまで電極を粉砕したこと以外は、実施例１と同様の条件として試験を行い、正極合材回収率、Ａｌ混入率を算出した。【００４７】
表１に、各実施例及び比較例の（正極合材又は負極合材）回収率、（Ａｌ又はＣｕ）混入率の結果をまとめた。【００４８】
【表１】
2020003602.tif 000003
【００４９】
実施例１〜４はいずれも、比較例より、（Ａｌ又はＣｕ）混入率が低い結果となった。したがって、従来の破砕機を用いるより、実施例で用いた摩砕機、すなわち、摩砕面を有する第１部材と、摩砕面を有する第２部材とを有し、前記第１部材及び前記第２部材の摩砕面同士が相対向し、両者の間に前記電極を摩砕する空間を形成するように、前記第１部材と前記第２部材とが配置され、前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれか一方が、前記摩砕面同士の対向方向を回転軸方向として回転する摩砕機を用いて、電極を摩砕した方が、電極合材と集電体とを効率的に分離することが可能となる。
【符号の説明】
【００５０】
１  摩砕機本体、２  上蓋、３  第１部材、４  第２部材、５  回転盤、６  押え金具、８  スプラインシャフト、９  支持部材、１０  ロックハンドル、１１  クリアランス調整ハンドル、１２  筒体、１３  メーター、１４  支持軸、１５  レバー、１６  供給ホッパー、１７  排出部、２０  剥離室、２２  回転軸、２４  ブレード。
【図１】
2020003602.tif 000004
【図２】
2020003602.tif 000005
【国際調査報告】
2020003602.tif 000006
2020003602.tif 000007
2020003602.tif 000008
2020003602.tif 000009