リチウムイオン電池の環境への影響

リチウム電池はリチウムを陽極として使用する電池である。このタイプの電池はリチウムイオン電池^[1]とも呼ばれ、電気自動車や電子機器に最も一般的に使用されている。^[1]最初のタイプのリチウム電池は、1970年代初頭に英国の化学者M.スタンレー・ウィッティンガムによって作成され、チタンとリチウムを電極として使用した。この電池の用途は、チタンの高価格と反応によって生じる不快な臭いのために制限されていた。^[2]今日のリチウムイオン電池は、ウィッティンガムの試みをモデルにした吉野彰によって1985年に初めて開発されました。

リチウムイオン電池は持続可能なソリューションの一部として使用できますが、化石燃料で動くすべてのデバイスをリチウムベースの電池に切り替えることは、地球にとって最善の選択肢ではない可能性があります。まだ不足していませんが、枯渇する可能性のある天然資源です。^[3]フォルクスワーゲンの研究者によると、リチウムは約1,400万トン残っており、これは2018年の生産量の165倍に相当します。^[4]

リチウムは、塩水、リチウムを豊富に含む粘土、硬岩鉱床の 3 つの主な供給源から商業規模で抽出されます。各方法は、避けられない環境破壊を引き起こします。塩水抽出場は、リチウム抽出の最も一般的な操作であり、世界のリチウム生産の約 66% を占めています。^[5]他の抽出方法と比較した塩水抽出の主な環境上の利点は、操作全体で使用する機械が非常に少ないことです。^[5]一方、硬岩鉱床とリチウムを豊富に含む粘土は、どちらも重機を使用する比較的一般的な採掘方法を必要とします。^[5]この利点にもかかわらず、すべての方法は比較的同様の回収率を達成するため、継続的に使用されています。^[5]塩水抽出では 97% の回収率を達成し、硬岩鉱床では 94% の回収率を達成します。^[5]

塩水抽出では、時間をかけて塩水を濃縮するために屋外蒸発を使用します。これにより、蒸発により大量の水が失われます。一般的に、蒸発するこの塩水は塩分濃度が非常に高く、農業や人間の消費に使用できないことに注意してください。 ^[6]その後、濃縮された塩水は近くの生産施設に移され、Li ₂ CO ₃と LiOH•H ₂ O が生産されます。 ^{[7]これらの生産施設は、塩水抽出現場によって引き起こされる大気汚染の大部分の原因であり、}二酸化硫黄などの有害ガスを大気中に放出しています。^[8]

塩水抽出現場の大部分は南米、具体的にはチリとアルゼンチンにあり、世界のリチウム埋蔵量の約半分が「リチウムトライアングル」と呼ばれる場所に存在する。^[5]チリ^[9]は世界第2位のリチウム生産国であり、SQMとアルベマールが経営する同国の2つの稼働中の鉱山は、どちらもアタカマ砂漠のアタカマ塩原にある。^[10]これらの鉱山の塩水に対して行われた検査では、塩水には約350 g/Lの総溶解固形物が含まれていることが示された。^[7]この鉱山とこの地域の地下水面に関する研究では、アタカマ塩原の総貯水量は2010年から2017年にかけて年間-1.16 mm減少したことが明らかになっている。^[6]地元コミュニティ内およびコミュニティ間には複雑な溝があり、鉱山会社からの支払いを受け取り、コミュニティ開発の取り組みに参加する人がいる一方で、そのようなプログラムから無視されたり、前述の環境への懸念から企業の申し出を断ったりする人もいます。^{[11] [12]中国のガルゼ・チベット族自治州の小さな町}タゴンでは、近くのリチウム鉱山施設から塩酸などの危険な化学物質がリチ川に漏れたという記録があります。 ^[13]その結果、死んだ魚や大型動物がリチ川やチベットの鉱山近くの他の川を流れ下っているのが見られました。^[13]研究者らは、さらに調査を進めた結果、これは数か月、時には数年もの間留まる蒸発池からの漏れが原因である可能性があることを発見しました。^[14]

リチウムは硬岩鉱床からも抽出できる。これらの鉱床は、世界最大のリチウム生産国であるオーストラリアで最も一般的に見られ、 ^[5]スポジュメン鉱石を通じて採取される。スポジュメン鉱石やその他のリチウム含有硬岩鉱床は、大陸の塩水に比べて世界中ではるかに少ない。^[6]鉱床ははるかに一般的ではなく、採掘に利用できる量も少ないが、操業コストは塩水抽出事業の操業コストと非常に似ている。^[5]その結果、塩水の方がはるかに一般的であり、環境への影響が小さいにもかかわらず、硬岩鉱床の採掘現場は引き続き作られ、使用されている。^[6]

リチウムを豊富に含む粘土からリチウムを抽出するには、まず粘土自体を採掘する必要があり、その結果、大量の大気汚染が発生します。粘土には、リピドライト、ヘクトライト、マストミライト、ジンワルド石、スワインフォーダイト、クック石、ジャダライトなど、リチウムを含む鉱物がいくつかあります。^[15]これらの鉱物を地中から抽出した後、粘土を加工してリチウムを抽出します。これは通常、酸性化などの化学反応によって行われます。^[15]この化学プロセスにより、有害なガスや化学物質が副産物として生成され、適切に処理されないと簡単に汚染を引き起こす可能性があります。^[15]リチウムを豊富に含む粘土は、リチウムの第3の主要な供給源ですが、リチウムを含む塩水や硬岩鉱石よりもはるかに豊富ではありません。正確には、リチウムを豊富に含む粘土は、世界のリチウム製品の2％未満を占めています。^[16]比較すると、塩水抽出はリチウム生産の39％、硬岩鉱石は59％を占めています。^[16]

NMCなどの一部のタイプのリチウムイオン電池には、ニッケル、マンガン、コバルトなどの有毒な金属が含まれており、埋立地から浸出すると水源や生態系を汚染する可能性があります。^[17]さらに、埋立地や電池リサイクル施設での火災は、リチウムイオン電池の不適切な廃棄に起因するとされています。^[18]その結果、一部の管轄区域ではリチウムイオン電池のリサイクルが義務付けられています。^[19]リチウムイオン電池の不適切な廃棄による環境コストにもかかわらず、リサイクルプロセスが依然としてコストがかかり未熟であるため、リサイクル率は依然として比較的低いです。^[20] 2014年にオーストラリアで実施された調査では、2012〜2013年にリチウムイオン電池の98％が埋立地に送られたと推定されています。^[21]

リチウムイオン電池は、製造から輸送、リサイクルに至るまで、細心の注意を払って取り扱われなければなりません。リサイクルは、リチウムイオン電池の環境への影響を抑えるために非常に重要です。電池をリサイクルすることで、採掘や処理に必要なリチウムが少なくなり、排出量とエネルギー消費量を削減できます。^[22]

EPAは米国におけるリチウム電池のリサイクルに関するガイドラインを策定している。使い捨て電池と充電式電池ではリサイクルのプロセスが異なるため、あらゆるサイズの電池を専用のリサイクルセンターに持ち込むことが推奨されている。これにより、個々の金属をより安全に分解し、再利用できるようになる。^[23]

現在、リチウムイオン電池のリサイクルには、乾式冶金回収、湿式冶金金属再生、機械的リサイクルの3つの主要な方法が使用されています。^[22] 2016年にオーストラリアのいくつかのリサイクル工場で実施された調査では、機械的リサイクルが最も多くの材料を回収し、リチウムイオン電池から平均して10種類の可能性のある材料のうち7種類を回収したことがわかりました。^[22]この同じ研究では、湿式冶金では平均10種類の材料のうち6種類を回収し、乾式冶金プロセスでは平均して可能性のある材料の半分しか回収されなかったこともわかりました。^[22]

乾式冶金回収のプロセスには、熱分解、焼却、焙焼、製錬などがある。^[22]現在、ほとんどの従来の工業プロセスではリチウムを回収することができない。主なプロセスは、コバルト、ニッケル、銅などの他の金属を抽出することである。材料のリサイクル効率と資本資源の使用は非常に低い。ガス処理メカニズムには高いエネルギーが必要であり、ガス副産物の量が少なくなる。^[24]

湿式冶金法では化学反応を利用して物質を溶液に溶かし、その後沈殿させて目的の原料を取り出します。^[22]このリサイクル方法では、プラスチックなどの有機物がすべてプロセス中に破壊されます。^[22]とはいえ、湿式冶金法では回収された金属の純度が非常に高くなるため、優れたリサイクル方法となっています。^[22]一般的に銅の回収に使用されています。この方法は、従来の製錬で発生する二酸化硫黄の副産物の問題を解消するために、他の金属にも使用されています。^[25]

直接リサイクルまたは機械リサイクルでは、古いリチウムイオン電池を分解して、新しい電池で再利用する重要な使用可能な部品や材料を抽出します。^[22]このプロセスでは、古い電池を細断または粉砕し、その後材料を抽出します。^[22]これにより、相互汚染が発生し、特定の材料または部品がリサイクルできなくなる可能性があります。^[22]この形式のリサイクルはオプションですが、一般的には鉱石自体を採掘するよりも高価です。^[26]リチウムイオン電池の需要が高まるにつれて、より効率的なリサイクルプログラムの必要性が高まり、多くの企業が最も効率的な方法を見つけようと競争しています。最も差し迫った問題の1つは、電池が製造されるときにリサイクルが設計上の優先事項と見なされないことです。^[27]このリサイクル方法の利点は、プロセスによる汚染がほとんど発生しないことです。一方、前の2つの方法はどちらも有害な化学物質やガスを生成する可能性があります。^[22]

リチウムイオン電池は軽量で充電可能、コンパクトなため、さまざまな用途に使用されています。主に電気自動車や携帯電子機器に使用されていますが、軍事や航空宇宙用途でもますます使用されるようになっています。^[28]

リチウムイオン電池の主な産業と供給源は電気自動車（EV）である。近年、電気自動車の販売台数が大幅に増加しており、2019年時点で世界の自動車市場の90％以上でEVインセンティブが導入されている。^{[29]このEVの販売台数の増加と継続的な販売により、}化石燃料への依存度の低下による環境への影響が大幅に改善されていることがわかる。^[30]最近、特に電気自動車からリサイクルされたリチウムイオン電池のさまざまな用途を調査する研究が行われています。具体的には、中国での電力負荷ピークカットに電気自動車からリサイクルされたリチウムイオン電池を二次利用することが、送電会社にとって効果的であることが証明されています。^[31]使用済みリチウムイオン電池がもたらす環境への脅威と、電気自動車用電池部品の将来の供給リスクが組み合わさっているため、リチウム電池の再製造を検討する必要があります。EverBattモデルに基づいて中国でテストが行​​われ、使用済み電池の購入価格が低い場合にのみ、リチウムイオン電池の再製造が費用対効果が高いという結論が出ました。リサイクルは環境への影響にも大きなメリットをもたらします。温室効果ガス削減の点では、再製造を利用することで総GHG排出量が6.62%削減されます。^[32]

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