電気パルスによる分離技術が拓く
未来の資源循環2021年5月28日

早稲田大学 理工学術院
創造理工学部 環境資源工学科
所 千晴
tokoro@waseda.jp

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日本のSDGs達成ランキング
SDG INDEX AND DASHBOARDS REPORT 2018
“IMPLEMENTING THE GOALS GLOBALRESPONSIBILITIES”
The Bertelsmann Stiftung and the Sustainable
Development Solutions Network (SDSN)

日本（15日本（15位）15位） 評価が低い項目群「目標5：ジェンダー平等を実現しよう」「目標
目標12:目標12: つくる責任つかう責任」
つくる責任つかう責任「目標13: 気候変動に具体的な対策を」「目標14: 海の豊かさを守ろう」「目標17: パートナーシップで目標を達成しよう」
評価高評価低2カーボンニュートラルによる資源需要増加の傾向

2021年2月15日 経済産業省資源エネルギー庁資源・燃料部作成
第7回鉱業小委員会資料より
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当研究室が目指す資源循環型社会

太く短い多重ループによる循環生産システムの構築
天然資源
天然資源投⼊量が小さい循環ループの達成。

製品
素材
部材

①部材リユース②高付加価値の素材へ
リユース
低負荷
化学的処理

他製品へ

汎用
素材

製品リユース

回収

革新的
物理的分離
破砕・粉砕・
選別③高品質化による化学的処理での省エネ
化学的処理

副産物

最終処分
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資源循環に求められる構造制御

全体的⾼価値な元素再利⽤

局所的・選択的
⾼価値な機能再利⽤
選択的・融合的

製品

部品

物理選別

化学選別
（製錬/精錬）物理・化学選別

部材

構造

粒⼦
結晶

原子分子

ブロック界⾯での⾃在な（選択的な）分離・分解制御=資源循環に求められる構造制御
・再利⽤すべきブロックの界⾯のみを分離・分解・その界⾯のみが分離できるように、製造の段階から制御

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資源循環型社会構築に向けた課題認識

現状の解体技術には、破砕・粉砕または手解体しか実用化されておらず、リユース/⾼度リサイクルに柔軟に対応できる⾼度分離技術が確⽴されていない。
←高作業効率

破砕・粉砕

特殊機械粉砕

低→

←低

マイクロ
ウエーブ 従来電気パルス レーザー
異相境界選択性

新規
電気パルスロボット

高→

••
⼈⼒

破砕・粉砕︓機械的弱部を利⽤した選択性の低い処理法。
⼈⼒解体︓リサイクル技
術が労働集約的で、高効率化されておらず、⼤量処理に対応できない。

製品から得たい部位を選択的に取り外すことを可能とする
革新的な物理的分離技術の確⽴

⾃動⾞のシュレッダー処理の様⼦

家電の⼈⼒解体の様⼦

6従来電気パルス 破砕のメカニズム

破壊

試料に高電圧を印加→電極間に試料を置き、高電圧を印加して強電解をかける。

ストリーマ放電の発生→強電解によって、ストリーマと呼ばれるプラズマ柱が発生する。電気力線に沿って陰極に進展していく。陰極に到達すると、絶縁破壊を引き起こす。

アーク放電に伴うマイクロ爆発の発生→到達したストリーマ経路にアーク放電が生じる。アーク放電によって生じたジュール熱による昇華で、電流付近にマイクロ爆発が発生し、界面での引っ張り力が粉砕に寄与する。

水の衝撃波の発生→アーク放電による水中でのマイクロ爆発によって、衝撃波が発生。試料に衝突し、圧縮力として粉砕に寄与する。

(b)

(a)

製造︓SELFRAG AG
輸⼊販売︓
ハルツォク・ジャパン

500 µm10t/hの連続機

石炭 (a)ジョークラッシャー粉砕

500 µm(b)電気パルス粉砕

従来技術とその問題点• 従来の物理分離法︓効率・環境負荷・コストの面で要改善– シュレッダー等︓選択性が低い– ⼈⼒による選別解体︓効率が低い• 電気パルス法︓⼤きなパワーを対象に与えるポテンシャルを持つが、– 全粉砕から部分選択分離への展開が必要– 製品に応じた制御が必要既存法から新規電気パルス法へ
衝撃波だけでな
く、⼤電流やプラズマ化の機能も最大限活用

新規電気パルス法による高選択性・高効率な部品・素材分離
従来電気パルス法
衝撃波の影響大集合破砕的
新規電気パルス法

放電経路の制御

波形の制御

選択的な加熱
選択的な反応選択的な剥離選択的な破壊を可能に精緻な制御
・放電経路・電流・電圧波形
・繰り返し回数・頻度

熱と機械⼒の発⽣割合と場所を制御
多種多様なリユース/リサイクルの目的に合わせた選択的な剥離を可能に
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電気パルス法の省エネルギー効果の検証
LCA*による 基板からの部品はんだ外しに要する電力消費量を比較• サンドバス加熱法• 従来型電気パルス法（セルフラッグ社）

0.518
kg-CO2eq/batch• 新規電気パルス法

0.0086 kg-CO2eq/batch
0.00065* kg-CO2eq/batch*計装類、搬送類、安全対策なし*LCA： Life Cycle Assessment
東京大学・菊池康紀先生 提供10

⼈⼯資源利活⽤への要請
リチウムイオン電池に対するEU法の改正案提出（年12月）
月）
リチウムイオン電池に対する 法の改正案提出（2020年
法の改正案提出（ EU内のすべての電池を対象

EU市場内の産業⽤、⾃動⾞⽤、電気⾃動⾞⽤、ポータブルの全ての電池を対象とする。

 回収率目標

産業⽤・⾃動⾞⽤・電気⾃動⾞⽤は完全回収
ポータブルは2025年には65%、2030年には70％回収率

 コバルト、ニッケル、銅のリサイクル率目標
2025年までに90%、2030年までに95%

 リチウムのリサイクル率目標

2025年までに35%、2030年までに70%

 カーボンフットプリント申告の義務化

カーボンフットプリント申告を済ませた充電可能なもののみEU市場に導入を可能とする。
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LiB正極材の選択的な分離
approx. 80 µm
正極材活物質粒子（NCM+binder+C）
Al 集電箔 (約15 µm)

解体

正極材活物質粒子NCM+binder+C）

液系LiBセル

正極材捲回体

機械的分離
従来の電気的分離→箔状材料に対する選択的分離は困難

新規電気パルス法*→Al集電箔への電気パルス照射
ジュール熱による界面加熱＋表皮効果による界面への集中＋選択的プラズマ化による界面膨張＋ローレンツ⼒によるAl箔の伸縮

Al集電箔

正極活物質粒⼦層1213LiBからの正極活物質粒⼦剥離機構
新規電気パルス法におけるAl箔温度と剥離の相関30, 35 kV：
アルミ融点（933K）以下
25kV：バインダー(PVdF)熱分解点（648K）以下
20kV：
PVdF融点（446K）程度
電流・電圧波形からのジュール熱算出→アルミ箔の加熱のみに使用されたと仮定した温度推定(a) 20 kV
剥離は認められない(b) 25 kV
良好な剥離(b-1)アルミ箔
(b-2)正極活物質(c) 30 kV
アルミ箔も微細化(d) 35 kV
アルミ箔も微細化（左） 573K加熱＋超音波処理では剥離せず（右）653K加熱＋超音波処理で剥離

電気炉での加熱試料

パルス処理後試料

C. Tokoro et al., Separation of Positive Electrode Particles and Aluminum Current Foil in Lithium-Ion Battery by High-Voltage Pulsed Discharge.
Part I: Experimental Investigation, Waste Management, 2021, Vol.125, pp. 58 - 66.

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分離後の正極活物質粒子の特性―充放電曲線―

表⾯再処理等との組み合わせによる正極材活物質の再利⽤の可能性⼗分

粒子のXRDパターン

バインダーのGPC分析

粒子のXAFSパターン

分離前
分離後SEM像による粒子観察15

PVからの⾦属分離b)

Pb,SnCu

EVA

Cu

AgCu

Al

SiCu

EVA

Backsheet of PVF, PET, PE)
Backsheet (Multilayer

物理的分離（カッティング粉砕）→ガラスや⾦属線による刃のダメージが⼤きい
化学的分離（加熱）→樹脂の割合が⾼く、このままでの⾦属製錬利⽤は困難→CO2発⽣、エネルギー有効利⽤（省エネ）に⼯夫が必要

新規電気パルス法*（物理的・化学的分離融合）→⾦属線のみに電気パルスを照射し、昇華回収

Cu線
線

樹脂

Cu、、Ag、、Si粒子
粒子

Cu線の一部、Ag線は電気パルスにより溶融・プラズマ化→（気中冷却により）球形粒⼦として分離
Cu線、Si粒⼦︓プラズマ化の衝撃により樹脂より分離
C. Tokoro et al., Copper/Silver Recovery from Photovoltaic Panel Sheet by Electrical Dismantling Method,
International Journal of Automation Technology, 2020, Vol.14, pp. 890 - 908.

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PVからの⾦属分離

17PV中の⾦属細線爆発と衝撃波伝搬
10 us

Red：Current
Blue：Voltage
10 us/div

300
us

30 us

Max current：6 ｋA
30 us

10 us

300 us１．電気パルスの通電により銀細線は爆発し,１．電気パルスの通電により銀細線は爆発し, 体積膨張することで気中に第1衝撃波が伝播する。
体積膨張することで気中に第 衝撃波が伝播する。
２．銀細線の体積膨張により,２．銀細線の体積膨張により, ガス化した銀が気中を占領する。
３．ガス化した銀の絶縁破壊電圧以上の高電圧印加時に,３．ガス化した銀の絶縁破壊電圧以上の高電圧印加時に, 気中のガス化した銀にリストライク現象（アーク放電）が発生する。
４．リストライク現象（アーク放電）により第2衝撃波が気中を伝播する。
４．リストライク現象（アーク放電）により第 衝撃波が気中を伝播する。
５．第2衝撃波は第つの衝撃波に成長する。
５．第 衝撃波は第1衝撃波と干渉し衝撃波は第 衝撃波と干渉し,衝撃波と干渉し, 1つの衝撃波に成長する。

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鋼板接着体の分離
シャドウグラフ法，撮影間隔5 us, 全体撮影時間640 us (撮影枚数128枚）

充電電圧7.5 kV＜放電経路の観測＞中心で放電発光を観測→接着剤内での放電を誘導可能＜現象の考察＞ 通電時の接着剤のプラズマ化（高温）による接着剤のガス膨張が発生し，ガス膨張に起因する気中への衝撃波を観測

・接着剤の凝集剥離が発生
負極側・母材の大きな塑性変形が発生

充電電圧5 kV

＜分離機構の考察＞
・気中を伝播するガス膨張由来の圧縮波が観測されたことより，接着剤内でガス膨張が発生していると考えられた・通電時の接着剤のプラズマ化（高温）による接着剤のガス膨張が分離機構の因子である可能性が高い・接着剤の凝集剥離が発生
・母材の大きな変形なし

正極側

正極側
負極側

実用化への有効性
・接着剤のガス膨張が分離の因子と推測された・放電電圧の制御により、大きな変形のない接着体分離を可能にできる

マルチマテリアルの利用拡大に不可欠

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⾃動⾞実部材への適⽤試験
Honda
Step-Wagon
Fuel injection Parts

30 kV 28 times discharge
Discharge points automatically
moved along with bonding parts20

新技術の特徴・従来技術との比較• 本技術の特徴︓– 時間、エネルギー⾯で⾼効率– 階層構造の物理的分離が可能– 気中でも液中でも可能– 部品、部材のリユース、⾼度リサイクルに適している– ⼩規模分散型の処理設備に適している– LCAの裏打ち（本PJの共同研究︓東⼤G)• 従来技術の問題点であった、低選択性と低効率を解決できる。
• 製品に応じて適切な媒体（気中、液中）を選択できる。

想定される用途• 本技術では、⾼温処理を必要とする⼤規模プロセスを省くことが可能と考えられ、LiBなどの2次電池のリサイクルに効果を発揮すると考えられる。
• 今後、移動体の軽量化に向けて、増加するであろう各種接着体、マルチマテリアルのリサイクル適用に効果が期待できる。
• 原理的に、物性が異なる異種材界⾯の剥離に適した技術であるため様々な製品に個別の適用開発が可能である。
• また、製品の設計・製造の段階から分離を前提にした考慮をすることで、資源循環型社会に親和性が高い製品を産みだすことができる。

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実用化に向けた課題• 技術の現状︓– 新規電気パルスを⽤いた物理分離の機構は基礎的な大枠をとらえている。
– パルス技術、測定分析技術の⾼度化が進んでおり、ノウハウの蓄積もできている。
– LCAによる有効性の裏付けを可能とする。
• 今後の展開と課題︓– 実際の工業製品に適用する段階。
– 対象とする製品そのもののデータや、ロジスティックス、リサイクルプロセスを含んだバリューチェーン上のデータが必要。
– そのためには具体的な製品への適用開発が必要
で、実施者との協働が不可⽋。
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企業への期待• 資源循環へのとりくみを加速させようとする企業との協働を期待する。
– 本PJ内での共同研究– And/orスピンアウトした企業開発への発展– オープン思考で知財を活用• 既存のビジネスの発展、あるいは新たな概念のビジネス開発においては、本PJの成果の導入は有効と考えられる。
• 特に以下の点が、個々の工業製品ごとに今後重要と考えている– 設計・製造にフィードバック– LCAに裏付けられた循環設計
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ︓電気パルス解体⽅法• 特許6857363（特願2018-206987）• 特許権者︓早稲⽥⼤学, 熊本大学
• 発明者︓所 千晴, 浪平 隆男
その他、当研究室の電気パルス関連知財（出願中）あり

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産学連携の経歴•••••••••••••

R1-5 JST 未来社会創造事業 「製品ライフサイクル管理とそれを⽀える⾰新的解体技術開発による統合循環生産システムの構築」（本格研究）
H29-R1 JST 未来社会創造事業 「製品ライフサイクル管理とそれを⽀える⾰新的解体技術開発による統合循環⽣産システムの構築」（探索研究）
H27-H28 科研費挑戦的萌芽研究 「プロセスミネラロジーに基づいたスラグからのマグネタイト回収プロセスの構築」
H24-H26 科研費基盤研究(C) 「XAFSによる⽔酸化物・硫化物処理法における不均⼀・不可逆反応機構の解明」
H22-H23 科研費挑戦的萌芽研究 「海洋性微細藻類及び貝類をバイオリアクターとした無機ヒ素含有廃⽔処理および無害化」
H20-H21 科研費若⼿研究(B) 「酸性坑廃⽔処理への⾚泥の適⽤に関する研究」
H17-H18 科研費若⼿研究(B) 「希薄廃⽔からの有害元素の選択除去法の確⽴を目的とした動的シミュレータの開発」
R1 東京都・民間企業 「太陽光パネル高度循環利用に向けた東京モデルの構築事業」
R1 JOGMEC・民間企業「ＨＰＧＲによる銅鉱石中の不純物鉱物の単体分離と浮選等による分離」
R１ 資源環境センター ・民間企業「解析評価を用いた坑廃水処理の調査研究／坑廃水処理予測シミュレーション」
R１ 民間企業「廃棄物の再資源化プロセスの研究開発」
R１ JOGMEC 「平成31年度休廃止鉱山における坑廃水処理の高度化調査研究事業」
他、年間数十件の多数実績あり
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早稲⽥⼤学オープンイノベーション戦略研究機構

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お問い合わせ先

早稲田大学リサーチイノベーションセンター
知財・研究連携支援セクション
TEL: 03 5286 9867
FAX: 03 5286 8374
email: contact-tlo@list.waseda.jp

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ご清聴ありがとうございました29