南洋理工大学(NTU)シンガポールの科学者が 果物の皮で古い電池を新しい電池に変える

シンガポールの南洋理工大学(NTUシンガポール)の研究者らは、使用済みのリチウムイオン電池から貴金属を抽出して再利用し、新しい電池を作るために、果物の皮の廃棄物を利用する新しい方法を開発した。

研究チームは、電池廃棄物から貴金属を効率よく回収するオレンジピールを用いて、そのコンセプトを実証しました。研究チームは、この回収された金属を使って機能的な電池を作り、その過程で出る廃棄物は最小限に抑えることに成功した。

研究者らは、この廃棄物を資源とするアプローチは、食品廃棄物と電子機器廃棄物の両方に取り組み、資源を可能な限り長く使用し続ける廃棄物ゼロの循環型経済の発展をサポートしていると話す。毎年、世界では、推定13億トンの食品廃棄物と5,000万トンの電子廃棄物が発生している。

 
使用済み電池は、従来は極熱(500℃以上)で処理して有価金属を精錬し、有害な有毒ガスを排出していた。金属を抽出するために過酸化水素を含む強酸溶液や弱酸溶液を使用する代替方法が検討されているが、健康と安全性のリスクをもたらす二次汚染物質を発生させたり、危険で不安定な過酸化水素に依存したりしている。


NTUシンガポール-CEA Alliance for Research in Circular Economy (NTU SCARCE)ラボの共同ディレクターであるMadhavi Srinivasan教授は次のように述べる。「現在の産業用電子廃棄物のリサイクルプロセスはエネルギー消費が大きく、有害な汚染物質や廃液を排出するため、電子廃棄物の増加に伴い、環境に優しい方法が急務となっています。私たちのチームは、生分解性物質を使用することでそれが可能であることを実証しました。」

 
「今回の成果は、NTUのエネルギー研究所(ERI@N)の下にあるSCARCEでのこれまでの研究成果に基づいています。SCARCE研究室は、電子廃棄物の環境に優しいリサイクル方法を開発するために設立された。また、持続可能な未来のために技術的に高度なソリューションを開発することを目的としたNTUスマートキャンパス構想の一環でもあります。」

NTU材料工学部・生物科学部のDalton Tay助教授は、次のように話す。「資源不足のシンガポールでは、廃棄されたあらゆる種類の電子機器から貴重な金属を抽出する都市鉱山のプロセスが非常に重要になっています。この方法では、これらの貴金属を可能な限り利用し続けることで資源枯渇の問題に取り組むだけでなく、電子廃棄物や食品廃棄物の蓄積という世界的な危機にも取り組んでいます」

本研究成果は、7月に科学誌「Environmental Science & Technology」に発表された。


低コストで持続可能なアプローチ

電池廃棄物をリサイクルする産業的アプローチが有害な汚染物質を発生させることから、水を抽出のための溶媒として使用する湿式冶金法が、代替案としてますます検討されている。このプロセスでは、まず使用済み電池を破砕して破砕し、ブラックマスと呼ばれる破砕物を形成。その後、研究者は、金属を沈殿させる前に、強酸や弱酸と過酸化水素などの化学物質を混ぜたものに熱を加えて溶解させることで、ブラックマスから貴重な金属を抽出する。

従来の方法よりも比較的環境に優しいが、このような強力な化学物質を工業規模で使用すると、かなりの量の二次汚染物質が発生する可能性があり、安全性や健康に重大なリスクがあるとTay助教授は述べている。

NTUチームは、オーブンで乾燥させて粉末状にしたオレンジピールと、柑橘類に含まれる弱酸性有機酸であるクエン酸を組み合わせることで、同じ目的を達成できることを発見した。


研究チームは、実験室での実験で、使用済みリチウムイオン電池からコバルト、リチウム、ニッケル、マンガンを約90%抽出することに成功し、過酸化水素を用いた方法と同等の効果が得られたことを明らかにした。

Tay助教授は次のように説明する。「キーとなるのはオレンジの皮に含まれるセルロースで、抽出プロセス中に熱で糖に変換されます。これらの糖は、電池廃棄物からの金属の回収を強化します。オレンジピールに含まれるフラボノイドやフェノール酸などの天然に存在する抗酸化物質も、この強化に貢献している可能性があります。」

「重要なのは、このプロセスから発生する固体残留物が無毒であることが判明したことであり、この方法は環境的に健全であることを示唆している」「回収した材料から新しいリチウムイオン電池を組み立てたところ、市販のものと同等の充電容量が得られました」と、同氏は付け加える。

今後は、回収材から作られた新しい電池の充放電サイクル性能を最適化するための研究が進められている。

このことは、この新技術が「産業的な意味で使用済みリチウムイオン電池をリサイクルするための実用的な実現可能性を示唆している」と研究者らは話す。

チームは現在、処理された電池廃棄物から生成された電池の性能をさらに向上させることを目指している。また、生産をスケールアップするための条件を最適化し、プロセスでの酸の使用をなくす可能性を探っている。

NTUの材料科学工学部およびERI@Nの出身でもあるMadhavi教授は、「この廃棄物を資源とするアプローチは、セルロースを多く含む他の種類の果物や野菜の廃棄物や、リン酸鉄リチウムやニッケルマンガンコバルト酸化リチウムなどのリチウムイオン電池にも適用できる可能性がある。これにより、電子廃棄物の新しい循環型経済の実現に向けて大きく前進し、より環境に優しく、より持続可能な方法で私たちの生活に電力を供給することが可能になります。」と語る。

本研究は、国立研究財団、国家開発省、国立環境庁の「都市ソリューション・持続可能性統合基金」の一環として、「廃棄物ループを閉じる研究開発イニシアチブ」の下で行われている。


>編集者注。

論文「使用済みリチウムイオン電池のリサイクルのためのグリーン還元剤としての果皮廃棄物の再利用」(英題:‘Repurposing of Fruit Peel Waste as a Green Reductant for Recycling of Spent Lithium-Ion Batteries’ )がEnvironmental Science & Technology 2020 54 (15), 9681-9692に掲載されました。

参考:NTU Singapore scientists use fruit peel to turn old batteries into new

http://news.ntu.edu.sg/pages/newsdetail.aspx?URL=http://news.ntu.edu.sg/news/Pages/NR2020_Aug26.aspx&Guid=5d4d1f59-bd28-4d36-bc39-42efbb293770&Category=News+Releases

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