| 研究課題/領域番号 |
22K04786
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26060:金属生産および資源生産関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
岩間 崇之 東北大学, 多元物質科学研究所, 特任研究員 (40914007)
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| 研究分担者 |
植田 滋 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (80359497)
禹 華芳 東北大学, 工学研究科, 特任助教 (90880477)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | 製鋼スラグ / LFPバッテリー / 溶液合成 / 高温合成 / リサイクル / 希少元素リサイクル / 電極正極材 / 電気自動車 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
近年、レアメタルを含まず低価格である正極材としてLiFePO4（LFP）が注目されており、今後は、工業用電池や電気自動車用電池の正極材としてLFPの使用が増大すると思われる。しかし、原料となるリンもまだ顕在化はしていないが枯渇が進行しつつあり、需要の急増が想定されるLFP用のリン原料の確保は今後非常に困難になると思われる。本研究はLFP用の原料のリンとLiを廃LFP自体から化学薬品を消費せず、（１）電解溶液中のLFPへ正電圧を印加し電気化学反応でLiイオンを溶出し、（２）残留FePO4をバイポーラ膜の利用によりFe2+とPO43-イオンに分離してリンとLiを効率的に回収するプロセスを開発する。
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| 研究実績の概要 |
2022年度はLiFePO4(以下LFPとする)正極材のリサイクル技術確立の前段として、リンを含有する産業廃棄物である製鋼スラグを原料としたLFP合成技術のプロセスフローを設計した。製鋼スラグ中にはリンが豊富に含まれているがこれらは現在未活用であり、今後のLFP需要増加対応のためにLFP正極材のリサイクルと同等に重要な技術となりうる。
製鋼スラグからのLFP合成技術の第一段階として、まず製鋼スラグを酸性溶液で浸出しリン酸含有溶液を得た。次に第二段階として、この浸出溶液にFeCl3溶液を添加することで非晶質FePO4・2H2Oの沈殿を生成・分離した。第三段階として、得られたFePO4・2H2Oを大気雰囲気下、700℃、10時間保持することで、結晶性FePO4を得た。最後に第四段階として、焼成した結晶性FePO4、LiOH、グルコースの混合物をN2雰囲気下、700℃、10時間保持することで、電池材料として有用な炭素がコーティングされたオリビン型LFPを得ることができた。このプロセスの第三段階の焼成において、高温保持後試料の非晶質のSiO2が存在する場合に結晶性FePO4への変態が阻害されることをTEMによる微細構造分析を行うことで明らかにした。そこで第二段階のFePO4・2H2O沈殿操作における非晶質SiO2の生成条件を調べるため、溶液中共存イオン、元素濃度、溶存Siの化学種の影響を調べた。その結果、Caイオン濃度を600ppm以上かつNa2SiO3を溶解してSiイオン濃度を100ppm以上としたときはSiO2が生成した。しかしながら、Na4SiO4を溶解した場合は、Caイオン濃度が2000ppmかつSiイオン濃度が150ppmでもSiO2は生成せず、焼成により結晶性のよいFePO4を得ることができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初の計画では2022年度よりLFP正極材のリサイクル技術の開発に取り組む予定であったが、需要急増の予測に基づきリサイクルだけでなく、新たなLFP確保のルートを検討する必要があると考え、さらに資源に乏しい日本においてはなんらかの二次資源からの製造が有望であるとの考えに至った。そこで、未利用ながら大量のリンを抱えている製鋼スラグに着目し、2022年度は製鋼スラグを出発原料としたLFPの製造技術の開発に取り組むことにした。現在までの進捗は、この製鋼スラグからのLFP製造の基礎的なプロセスフローを確立できたとともに、溶液合成時の不純物影響について重要な知見を得ることができた。この知見は本研究課題で挙げているLFPリサイクル技術の開発においても同様に有用であり、操業裕度の目安を提示できる可能性がある。以上より、当初の計画から一部変更して研究を行ったが、大幅な研究進捗の遅れはないといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度も引き続き製鋼スラグからのLFP合成について研究を行う予定である。FePO4・2H2Oの溶液合成について、2022年度と同様に各元素濃度やSi化学種を変化させた追加実験を行い、SiO2生成メカニズムについて考察を行う。さらに、製鋼スラグの高温還元によりFe-P合金をあらかじめ得てから溶液合成の原料に供するプロセスフローについても検討し、スラグの還元実験とFe-P合金の溶解実験を行う予定である。この実験では、製鋼スラグの還元条件として還元剤種、還元温度、還元剤混合比などの影響、さらにFe-P合金溶解条件として溶解酸種、pH、共存イオンなどの影響を調べる。これらも同様に本研究課題であるLFPのリサイクル技術の高温合成、浸出、溶液合成に関連する技術である。以上のように多方面的に技術開発することで、LFPリサイクル技術開発を推進していく。
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