| 研究課題/領域番号 |
15K14285
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
星野 毅 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 核融合研究開発部門 六ヶ所核融合研究所, 研究主幹 (80370469)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 核融合炉 / リチウム / 資源 / 分離回収 / 分離膜 / イオン伝導体 / セラミックス |
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| 研究実績の概要 |
国際協力にて開発中の新たな発電炉である核融合炉は、トリチウム燃料製造や発電に必要な熱を作り出すリチウムを大量に使用する。発電実証を開始する2030年以降は、リチウム需要の急拡大が見込まれるため、使用済リチウムイオン電池からの革新的な核融合炉用リチウム資源回収に必要な基盤技術の構築を目的とし、研究開発を行った。
研究代表者は、これまでに、セラミックス製のイオン伝導体をリチウム分離膜とした、海水からのリチウム分離回収技術を発案した。本技術は、様々なリチウム含有液からのリチウム分離回収への波及効果を有しているため、海水の代わりに使用済リチウムイオン電池の溶解液を用いることに着目した。リチウムイオン伝導体は、温度の上昇と共にリチウムイオン伝導率が指数関数的に上昇する。そこで、当該年度は、常温より高い温度領域でも使用可能なイオン伝導体の探索を行った。
アルミナ製のるつぼの中に硝酸リチウム粉末を入れ、320℃に加熱することで溶融塩状態とした。この溶融塩中に様々なイオン伝導体を浸漬する試験を行った結果、リチウム(Li)、ランタン(La)及びチタン(Ti)で構成されるイオン伝導体Li0.29La0.57TiO3(LLTO)は、材質が変化することなく、常温より高い温度にて使用可能であることを明らかにした。
次に、320℃の硝酸リチウム(原液側)と硝酸ナトリウム(回収側)間をイオン導体LLTOにて隔て、リチウム分離回収の予備的試験を行った。試験時間は6時間としたが、イオン伝導体LLTOの両端に設置したニッケル製の電極が酸化され、高温及び溶融塩状態で試験を行う上での耐久性が課題となった。
課題解決には現在よりもイオン伝導体LLTOの使用温度を下げる必要があるため、次年度(平成28年度)は、常温から100℃程度の温度範囲においても効率的にリチウム分離回収が可能な、新たなイオン伝導体の探索を行う。
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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
使用済リチウムイオン電池からの核融合炉用リチウム資源回収に用いるリチウム分離膜として、様々なセラミックス製イオン伝導体の可能性を探索した結果、リチウム(Li)、ランタン(La)及びチタン(Ti)で構成されるイオン伝導体Li0.29La0.57TiO3(LLTO)が最適であることを明らかにし、当該年度の目標を達成した。
一方で、リチウムの分離回収速度を速めるため、常温より温度の高い320℃にてリチウム資源回収を行う場合、イオン伝導体LLTOの耐久性に問題はないが、電極等のリチウム資源回収装置に用いるイオン伝導体以外の材料健全性に配慮する必要がある、新たな課題も判明した。
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| 今後の研究の推進方策 |
使用済リチウムイオン電池からの核融合炉用リチウム資源回収の実用化には、リチウム回収装置に用いる材料健全性の観点から、常温から100℃程度の温度範囲で行う必要があることが明らかになった。
そこで、次年度(平成28年度)以降は、本温度範囲においても効率的なリチウム分離回収速度が得られる新たなイオン伝導体を、Li0.29La0.57TiO3(LLTO)を基材として開発し、リチウム分離回収の条件最適化を試みる。
特に、評価手法として、サイクリックボルタンメトリーや、インピーダンス測定等の電気化学的側面からだけでなく、コンピューターシミュレーションを活用した計算に基づくリチウムイオン伝導体中のリチウム移動現象の解明も試み、研究目的の達成を目指す。
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