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公開番号2025031461
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-07
出願番号2023217548
出願日2023-12-25
発明の名称金属リチウム製造装置及び金属リチウムの製造方法
出願人株式会社豊田中央研究所
代理人弁理士法人アイテック国際特許事務所
主分類C25C 1/22 20060101AFI20250228BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】より容易に金属リチウムを製造する。
【解決手段】金属リチウム製造装置は、非水系電解液に接触し金属リチウムが析出する析出極と、水溶液系電解液に接触しリチウムを含有する電極材料を含み析出極に対向する対極と、析出極と対極との間に介在し非水系電解液と水溶液系電解液とを分離しつつリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、析出極と対極との間に電流を印加することにより対極側のリチウムから析出極上に金属リチウムを析出させる制御部と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
金属リチウムを析出させる金属リチウム製造装置であって、
非水系電解液に接触し金属リチウムが析出する析出極と、
水溶液系電解液に接触しリチウムを含有する電極材料を含み、前記析出極に対向する対極と、
前記析出極と前記対極との間に介在し前記非水系電解液と前記水溶液系電解液とを分離しつつリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
前記析出極と前記対極との間に電流を印加することにより前記対極側のリチウムから前記析出極上に金属リチウムを析出させる制御部と、
を備えた金属リチウム製造装置。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記対極には、リチウム二次電池の正極材料を前記電極材料として含む、請求項１に記載の金属リチウム製造装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記電極材料に含まれる活物質当りの電流密度を８ｍＡ／ｇ以上、３８０ｍＡ／ｇ以下の範囲で前記電流を印加する、請求項１又は２に記載の金属リチウム製造装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記電極材料に含まれる活物質当りの電流密度を４５ｍＡ／ｇ以上、９０ｍＡ／ｇ以下の範囲で前記電流を印加する、請求項１又は２に記載の金属リチウム製造装置。
【請求項５】
前記対極は、ステンレス及びアルミニウムのうち少なくとも一方で形成され、
前記析出極は、銅及びニッケルのうち少なくとも一方で形成されている、請求項１又は２に記載の金属リチウム製造装置。
【請求項６】
前記対極の水溶液系電解液は、０ｍＭ以上、１０Ｍ以下のカチオン及びアニオンを含有し、
前記析出極の非水系電解液は、０．０１ｍＭ以上、４Ｍ以下の濃度でＬｉ含有塩が溶解している、請求項１又は２に記載の金属リチウム製造装置。
【請求項７】
非水系電解液に接触し金属リチウムが析出する析出極と、水溶液系電解液に接触しリチウムを含有する電極材料を含み前記析出極に対向する対極と、前記析出極と前記対極との間に介在し前記非水系電解液と前記水溶液系電解液とを分離しつつリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えた金属リチウムの製造方法であって、
前記析出極と前記対極との間に電流を印加することにより前記対極側のリチウムから前記析出極上に金属リチウムを析出させる析出工程、
を含む金属リチウムの製造方法。
【請求項８】
前記対極には、リチウム二次電池の正極材料を前記電極材料として含む、請求項７に記載の金属リチウムの製造方法。
【請求項９】
前記析出工程では、前記電極材料に含まれる活物質当りの電流密度を８ｍＡ／ｇ以上、３８０ｍＡ／ｇ以下の範囲で前記電流を印加する、請求項７又は８に記載の金属リチウムの製造方法。
【請求項１０】
前記析出工程では、前記電極材料に含まれる活物質当りの電流密度を４５ｍＡ／ｇ以上、９０ｍＡ／ｇ以下の範囲で前記電流を印加する、請求項７又は８に記載の金属リチウムの製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本明細書は、金属リチウム製造装置及び金属リチウムの製造方法を開示する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
現在、世界的な電気自動車（ＥＶ）へのシフトに伴い、リチウムイオン電池の需要が急増しており、使用済みリチウムイオン電池のリサイクル技術の構築が急務である。しかし、リチウムイオン電池に使用されている有価元素の中で、リチウムは回収が難しい元素である。現在行われているＬｉイオン電池のリサイクルの方法は主に、酸化還元、溶融などで分離する乾式法と、沈殿や溶媒などで抽出し分離する湿式法に大別される。乾式法ではリチウムは酸化されスラグへ取り込まれるため、リチウムの回収にはスラグからリチウムを抽出しなければならない。Ｌｉ
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ＯやＬｉＯＨなどの塩基性のＬｉ化合物は水への溶解度が高いのに対し、ＬｉＦやＬｉＰＯ
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などの酸性のリチウム化合物は水への溶解度が非常に低い。よって、リチウムを回収するためには塩基性の高いリチウム化合物から成るスラグが形成されるように調整しなければならない。現在は乾式法ではリチウムの回収は行われていない。
【０００３】
一方、湿式法では高ｐＨでの抽出によってのみＬｉの回収が可能となるため、大量の炭酸ナトリウムを添加して炭酸リチウムを生成してリチウムの回収を行う方法が用いられる。この方法によるリチウムの回収率は８０～９０％程度であり、他の有価金属（Ｍｎ：９４～９９％，Ｎｉ：９１～９９％，Ｃｏ：９５～９９％）と比較すると、低い回収率にとどまっている（非特許文献１参照）。また、Ｌｉ
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ＣＯ
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回収時に水を蒸発させる工程ではエネルギーを消費し、かつ多量の排液も出るため、環境負荷が高いという課題がある。
【０００４】
金属リチウムの製造方法としては、例えば、アルカリ金属塩の水溶液を含むアノード隔室と、カソード隔室と、アノード隔室とカソード隔室を互いに分離する固体電解質とを含み、アノード隔室と接触する固体電解質の表面の部分および／またはカソード隔室と接触する固体電解質の表面の部分が少なくとも一層のイオン伝導層を有するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この製造装置では、水溶液に溶解したリチウムを金属リチウムとして取り出すことができる。また、このような製造装置としては、例えば、リチウム塩を含む溶融組成物と接触するアノードと、リチウムイオンを伝導できる固体電解質によって溶融組成物から分離されたカソードとで電気分解されるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この製造装置では、リチウム塩の濃度が低いものを含む溶融組成物から金属リチウムを取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特表２００３－５０７５８１号公報
特表２０２２－５１５４３９号公報
【非特許文献】
【０００６】
Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 4591-4597
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１、２の製造装置では、水溶液に溶解したリチウムイオン又は溶融組成物を金属リチウムの供給源とするが、その他の供給源については考慮されていなかった。リチウム二次電池のリチウム源としては、例えば、正極活物質などが挙げられるが、このような電極材料から金属リチウムを製造する際は、水溶液に溶解させるか、高温で溶融させる必要があり、手間がかかるものであった。このように、金属リチウムの製造において、より容易に金属リチウムを製造することが望まれていた。
【０００８】
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、より容易に金属リチウムを製造することができる金属リチウム製造装置及び金属リチウムの製造方法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、析出極に非水系溶媒を用い、その対極に電極材料を配置して水溶液系溶媒を用い、所定の電流を印加すると、より容易に金属リチウムを析出極へ析出させることができることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本開示の金属リチウム製造装置は、
金属リチウムを析出させる金属リチウム製造装置であって、
非水系電解液に接触し金属リチウムが析出する析出極と、
水溶液系電解液に接触しリチウムを含有する電極材料を含み、前記析出極に対向する対極と、
前記析出極と前記対極との間に介在し前記非水系電解液と前記水溶液系電解液とを分離しつつリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
前記析出極と前記対極との間に電流を印加することにより前記対極側のリチウムから前記析出極上に金属リチウムを析出させる制御部と、
を備えたものである。
（【００１１】以降は省略されています）

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