2022年10月14日 令和4年度 3R先進事例発表会

A solid-state electrolysis process for upcycling aluminium scrap
固体電解プロセスによるアルミニウムスクラップのアップサイクリング（応募報文）
Xin Lu, et al. A solid-state electrolysis process for upcycling aluminium scrap,
Nature, 606 (2022), 511-515. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04748-4

東北大学大学院工学研究科
金属フロンティア工学専攻
盧 鑫 （ルーシン） （グループ代表）
竹田 修 （たけだ おさむ）
朱 鴻民 （しゅ こうみん）
長坂徹也 （ながさか てつや）

アルミニウム：リサイクルの優等生

図 世界規模の使用済金属製品のリサイクル率 [1]※ 国内：リサイクル由来の再生地金の割合：55％ [2][1] B.K. Reck, T.E. Graedel, Challenges in Metal Recycling, Science, 337 (2012), 690;
[2] 日本アルミニウム協会：https://www.aluminum.or.jp/#gsc.tab=02

アルミニウムのリサイクル量の推移と推計

図 アルミニウム新地金及び再生地金の生産量の推移 [1]急増するアルミニウムのリサイクル量[1] The International Aluminium Institute (IAI), IAI material flowmodel-2021 update. 2021

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現状のアルミニウムリサイクルの問題点
合金化元素
新地金

アルミニウム合金

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社会ストック• 自動車• 鉄道車両
• 飛行機
• 建築
• ・・・

展伸材
(飲料缶等)
鋳造・ダイカスト材（エンジンブロック等）
再生アルミニウム
合金化元素
再溶解

品質の劣化に伴うダウングレードリサイクル

アルミニウムスクラップ

図 現状のアルミニウムリサイクル概観

合金化元素の分離はできず、再生アルミニウムに濃縮する。
[1] J. Rankin, Energy use in metal production, High Temperature Process Symposium 2012.7-9[2] 環境省： https://www.env.go.jp/index.html

アルミニウム合金：展伸材と鋳造材
純Alではなく、合金として使用されている。

鋳造材合金：合金元素の許容濃度が高い
展伸材合金：
合金元素の許容濃度が低い

図 各アルミニウム製品中の合金元素濃度 (質量%)[1][1] K. Nakajima, et al. Environmental Science & Technology, 2010, 44, 5594-5600.

5再溶解法における合金元素の分離挙動
除去できない元素

現状（ダウングレード）
展伸材合金

図 Al再溶融プロセスにおける合金元素の分布[1]鋳造合金

再溶融法において、ほとんどの合金化元素が除去できないため、ダウングレードリサイクルになる。
[1] K. Nakajima, et al. Environmental Science & Technology, 2010, 44, 5594-5600.

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アルミニウムリサイクルの現状

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再生地金の最終的なシンク：
自動車エンジンブロック等のAl鋳造合金

図 2019年自動車向けアルミニウム
素材別需要構成[1]EV（電気自動車）シフトが加速⇒⇒⇒
自動車エンジンに使用するAl鋳造合金の需要の大幅な減少

従来のダウングレードリサイクルが破綻し、「Alクライシス」が発生する恐れがある。
[1] 日本アルミニウム協会：https://www.aluminum.or.jp/#gsc.tab=0

世界のアルミニウム需給予測

図 アルミニウム需給現状及びフォアキャスト[1]本研究計算結果：2040年360万トンデッドメタル（使えないアルミニウム）が発生する

不純物を分離するアルミニウムスクラップ精製技術が必要（応募報文）[1] Xin Lu, et al. Nature, 606 (2022), 511-515. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04748-4

89既存アルミニウム精錬法
三層電解法(Hoopes法)
新地金
密度(g/cm3 )：2.3
˄
2.7
˄
3.0

晶析用低温プラグ（T < Tm）

陰極

精製Al
溶融塩

偏析法
原料アルミ浴（T > Tm）

ヒーター
Al3+

Si

Al‐Cu合金
陽極
図 三層電解法概略図▪ スクラップ中の不純物濃度が高いーー＞陽極組成は維持できない▪ 典型合金化元素Siの密度はAlは近いーー＞シリコンの分離は困難である晶析アルミ
図 典型的偏析法概略図▪ スクラップ中の不純物濃度が高い
ーー＞何度も精製を繰り返す必要があり、かつ、回収の歩留まりが低い

Al新地金（99．5～99.7％）の更なる高純度化には適用できるが、Alスクラップのリサイクルには適用できない。

新規アルミニウムスクラップ精製技術の開発が重要 10スクラップを溶融させず、固体のままで電解する

図 溶融塩を利用した固体電極電解（Solid-state electrolysis: SSE）概略図 [1]
縦式の固体電解をすることによって▪ アルミニウムスクラップ中の不純物が陽極泥として分離できる。
▪ 典型合金化元素のシリコンは溶解しないため、分離できる。
▪ 電解温度が低く、エネルギー消費低減につながる。
（応募報文）[1] Xin Lu, et al. Nature, 606 (2022), 511-515. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04748-4

電解精製の原理

陽極での精製（Alが優先的に溶解するため、陽極泥として分離）

陰極での精製（Alと同様に陽極で溶解するが陰極に析出しない）

図 500℃においてアルミニウム及び典型合金元素の平衡電極電位11各主成分の溶解挙動12典型的なAl鋳造合金(AC2A)とダイカスト合金(AD12)組成（質量％）
Mg

Zn

FeMn

Al

ADC2 1.5～3.5 9.6～12.0

0.3以下

1.0以下

1.3以下

0.5以下

残部

AC2A 3.0～4.5

0.25以下0.55以下0.8以下

0.55以下

残部

記号

Cu

Si

4.0～6.0

図 アルミニウムス及び典型合金元
素の分極曲線（Molten salt: LiClKCl; T=500 ℃）
Mg: -2.92 V
Al: - 2.35 V
Fe: -1.70 V
Cu: -1.52 V
Si: No dissolve

電位差によって、Alと合金元素の分離は可能（応募報文）[1] Xin Lu, et al. Nature, 606 (2022), 511-515. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04748-4

電解前後のアノードの変化
Alloy

アノード：AC2A合金

AnodeSlime

Mg, Al：溶解
Si, Cu：アノードスライムに蓄積

200㎛
図 電解後アノード（AC2A）合金の断面図

図 電解前後電極の元素分布図（EPMA）

13カソード析出物

Concentration, wt. %10080Al
SiCu
Fe6040200Al casting alloy

Anode slime Cathode deposition

図 電解前（AC2A合金）と電解後アノードスライム（陽極泥）、カソード（陰極）析出物の組成比較（応募報文）[1] Xin Lu, et al. Nature, 606 (2022), 511-515. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04748-4

14SSE法工業プロセスのエネルギー消費試算

15エネルギー消費の試算には• 工業ホール・エルー電解プロセスを参考し、SSEの槽電圧等を見積もりした。
• スクラップから電極の作成及び析出物の再溶解を考慮した。

ホール・エルー法との比較
ホール・エルー法

SSE法

原料

ボーキサイトAlスクラップ製品

新地金（99.5～99.7％）

再生Al（～99.9%）エネル
ギー消費

162MJ/kg

65.4 (58.4–79.9) MJ (kg Al)−1

図 各アルミニウム精錬・精錬、リサイクルプロセスのエネルギー消費比較（応募報文）[1] Xin Lu, et al. Nature, 606 (2022), 511-515. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04748-4

まとめ

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溶融塩電解を用いたアップグレードリサイクルの開発➢ Ａｌの溶解電位は、主な合金元素であるＳｉ、Ｃｕ、Ｆｅの溶解電位より低いため、電解の際、優先的に溶解する。
➢ 定電流電解によるＡＣ２Ａ合金の電解結果、Ａｌと合金元素は効率的に分離でき、新地金と同じ純度のＡｌ製品が得られた。
➢ 本リサイクルプロセスのエネルギー消費は新地金電解プロセスの半分以下と試算され、将来的な応用が期待される。
展伸材合金

鋳造合金

スクラップから展伸材までのアップリサイクルを実現し、「Alクライシス」の回避に貢献する